JP2018085503A - Transistor, semiconductor device and electronic apparatus - Google Patents

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大吾 伊藤
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Takahisa Ishiyama
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device capable of holding data for a long time period.SOLUTION: The semiconductor device comprises: a first transistor; an insulator that covers the first transistor; and a second transistor on the insulator. The first transistor has: a first gate electrode; a second gate electrode overlapped with the first gate electrode; and a semiconductor provided between the first gate electrode and the second gate electrode. The first gate electrode is electrically connected with one of a source and a drain of the second transistor.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関する。本発明の一態様は、半導体装置、発光装置、表示装置、電子機器、照明装置、及びそれらの作製方法に関する。特に、本発明の一態様は、有機エレクトロルミネッセンス(Electroluminescence、以下ELとも記す)現象を利用した発光装置とその作製方法に関する。例えば、LSI、CPU、電源回路に搭載されるパワーデバイス、メモリ、サイリスタ、コンバータおよびイメージセンサなどを含む半導体集積回路を部品として搭載した電子機器に関する。 The present invention relates to an object, a method, or a manufacturing method. Or this invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter). One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device, a light-emitting device, a display device, an electronic device, a lighting device, and manufacturing methods thereof. In particular, one embodiment of the present invention relates to a light-emitting device using an organic electroluminescence (hereinafter also referred to as EL) phenomenon and a manufacturing method thereof. For example, the present invention relates to an electronic device in which a semiconductor integrated circuit including a power device, a memory, a thyristor, a converter, an image sensor, and the like mounted on an LSI, a CPU, and a power supply circuit are mounted as components.

なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。 Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field.

なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。電気光学装置、半導体回路および電子機器は半導体装置を有する場合がある。 Note that in this specification, a semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics. An electro-optical device, a semiconductor circuit, and an electronic device may include a semiconductor device.

近年、半導体装置の開発が進められ、LSIやCPUやメモリが主に用いられている。CPUは、半導体ウエハから切り離された半導体集積回路(少なくともトランジスタ及びメモリ)を有し、接続端子である電極が形成された半導体素子の集合体である。 In recent years, semiconductor devices have been developed, and LSIs, CPUs, and memories are mainly used. The CPU is a collection of semiconductor elements each having a semiconductor integrated circuit (at least a transistor and a memory) separated from a semiconductor wafer and having electrodes serving as connection terminals.

LSIやCPUやメモリなどの半導体回路(ICチップ)は、回路基板、例えばプリント配線板に実装され、様々な電子機器の部品の一つとして用いられる。 A semiconductor circuit (IC chip) such as an LSI, a CPU, or a memory is mounted on a circuit board, for example, a printed wiring board, and used as one of various electronic device components.

また、絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路(IC)や画像表示装置(単に表示装置とも表記する)のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。 In addition, a technique for forming a transistor using a semiconductor thin film formed over a substrate having an insulating surface has attracted attention. The transistor is widely applied to electronic devices such as an integrated circuit (IC) and an image display device (also simply referred to as a display device). A silicon-based semiconductor material is widely known as a semiconductor thin film applicable to a transistor, but an oxide semiconductor has attracted attention as another material.

また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいことが知られている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のCPUなどが開示されている(特許文献1参照。)。 A transistor using an oxide semiconductor is known to have extremely small leakage current in a non-conduction state. For example, a low power consumption CPU using a characteristic that a transistor including an oxide semiconductor has low leakage current is disclosed (see Patent Document 1).

また、トランジスタのキャリア移動度の向上を目的として、電子親和力(または伝導帯下端準位)が異なる酸化物半導体層を積層させる技術が開示されている(特許文献2及び特許文献3参照)。 In addition, for the purpose of improving the carrier mobility of a transistor, a technique of stacking oxide semiconductor layers having different electron affinities (or conduction band bottom levels) is disclosed (see Patent Document 2 and Patent Document 3).

また、近年では電子機器の小型化、軽量化に伴い、トランジスタなどを高密度に集積した集積回路の要求が高まっている。また、集積回路を含む半導体装置の生産性の向上が求められている。 In recent years, with the miniaturization and weight reduction of electronic devices, there is an increasing demand for integrated circuits in which transistors and the like are integrated at high density. There is also a need for improved productivity of semiconductor devices including integrated circuits.

特開2012−257187号公報JP 2012-257187 A 特開2011−124360号公報JP 2011-124360 A 特開2011−138934号公報JP 2011-138934 A

本発明の一態様は、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、生産性の高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。 An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device having favorable electrical characteristics. An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device that can be miniaturized or highly integrated. An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with high productivity.

本発明の一態様は、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様には、情報の書き込み速度が速い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、設計自由度が高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供することを課題の一つとする。 An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device capable of holding data for a long period of time. An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with high information writing speed. An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with high design freedom. An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device capable of suppressing power consumption. An object of one embodiment of the present invention is to provide a novel semiconductor device.

なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。 Note that the description of these problems does not disturb the existence of other problems. Note that one embodiment of the present invention does not have to solve all of these problems. Issues other than these will be apparent from the description of the specification, drawings, claims, etc., and other issues can be extracted from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. It is.

第1のトランジスタと、第1のトランジスタを覆う絶縁体上に第1のトランジスタと電気特性が異なる第2のトランジスタと、を設ける。その際、例えば、第1のしきい値電圧を有する第1のトランジスタと、第2のしきい値電圧を有する第2のトランジスタと、を設ける。第1のトランジスタのチャネルが形成される半導体層と、第2のトランジスタのチャネルが形成される半導体層に、それぞれ電子親和力が異なる半導体材料を用いる。キャリア移動度やオン電流が第2のトランジスタより高い第1のトランジスタと、ゲート電圧が0Vの時のドレイン電流が第1のトランジスタより小さい第2のトランジスタと、を設ける。 A first transistor and a second transistor having different electrical characteristics from the first transistor are provided over an insulator covering the first transistor. In that case, for example, a first transistor having a first threshold voltage and a second transistor having a second threshold voltage are provided. Semiconductor materials having different electron affinities are used for the semiconductor layer in which the channel of the first transistor is formed and the semiconductor layer in which the channel of the second transistor is formed. A first transistor whose carrier mobility and on-state current are higher than those of the second transistor and a second transistor whose drain current when the gate voltage is 0 V are smaller than the first transistor are provided.

また、第1のトランジスタと、第1のトランジスタを覆う絶縁体上に第1のトランジスタと電気特性が異なる第2のトランジスタと容量素子と、を設ける。また、このとき、第2のトランジスタと、容量素子と、を同一層に設ける。 In addition, the first transistor, the second transistor having different electrical characteristics from the first transistor, and the capacitor are provided over the insulator covering the first transistor. At this time, the second transistor and the capacitor are provided in the same layer.

1つの半導体装置に異なる電気特性を有するトランジスタを設けることで、回路設計の自由度を高めることができる。一方、一つの半導体装置に異なる電気特性を有するトランジスタと、容量を形成する場合、当該半導体装置の作製工程数が大幅に増加する恐れがある。作製工程数の大幅な増加は、歩留まりの低下を誘発し易く、半導体装置の生産性を著しく低下させる場合がある。本発明の一態様によれば、トランジスタの作製工程と容量素子の作製工程を一部共通とすることで、当該半導体装置の作製工程数が大幅に増加することなく、1つの半導体装置に異なる電気特性を有するトランジスタと容量素子を設けることができる。 By providing transistors having different electrical characteristics in one semiconductor device, the degree of freedom in circuit design can be increased. On the other hand, when a transistor having different electrical characteristics and a capacitor are formed in one semiconductor device, the number of manufacturing steps of the semiconductor device may be significantly increased. A large increase in the number of manufacturing steps tends to induce a decrease in yield and may significantly reduce the productivity of semiconductor devices. According to one embodiment of the present invention, a part of a manufacturing process of a transistor and a manufacturing process of a capacitor are commonly used, so that the number of manufacturing processes of the semiconductor device is not significantly increased. A transistor having a characteristic and a capacitor can be provided.

本発明の一態様は、第1のトランジスタと、第1のトランジスタを覆う絶縁体と、絶縁体上の第2のトランジスタを有し、第1のトランジスタは、第1のゲート電極と、第1のゲート電極と重なる第2のゲート電極と、第1のゲート電極と第2のゲート電極の間に設けられた半導体を有し、第1のゲート電極は、第2のトランジスタのソースおよびドレインの一方、および第2のトランジスタが有する第3のゲート電極と電気的に接続されている半導体装置である。 One embodiment of the present invention includes a first transistor, an insulator that covers the first transistor, and a second transistor over the insulator, the first transistor including a first gate electrode, And a semiconductor provided between the first gate electrode and the second gate electrode, the first gate electrode being connected to the source and drain of the second transistor. On the other hand, the semiconductor device is electrically connected to the third gate electrode of the second transistor.

また、上記半導体装置において、半導体は第1の半導体であり、第2のトランジスタは、第2の半導体と、第2の半導体と電気的に接続する第1の電極および第2の電極を有し、第1のゲート電極と、第2のトランジスタのソースおよびドレインの一方は、第1の電極と第2の電極の一方を介して電気的に接続されていることが好ましい。 In the above semiconductor device, the semiconductor is a first semiconductor, and the second transistor includes a second semiconductor, and a first electrode and a second electrode that are electrically connected to the second semiconductor. The first gate electrode and one of the source and the drain of the second transistor are preferably electrically connected to each other through one of the first electrode and the second electrode.

また、上記半導体装置において、絶縁体は第1の絶縁体であり、第1の絶縁体上に容量を有し、容量は、第3の電極と、第4の電極と、第3の電極と前記第4の電極の間に設けられた第2の絶縁体を有し、第3の電極は、第1のトランジスタのソースおよびドレインの一方と電気的に接続し、第3の電極は、第1の電極および第2の電極と同じ材料からなり、第4の電極は、第3のゲート電極と同じ材料からなり、第2の絶縁体は、第2のトランジスタが有するゲート絶縁膜と同じ材料からなることが好ましい。 In the above semiconductor device, the insulator is a first insulator and has a capacitor on the first insulator. The capacitor includes a third electrode, a fourth electrode, and a third electrode. A second insulator provided between the fourth electrodes, the third electrode electrically connected to one of a source and a drain of the first transistor, and the third electrode The first electrode and the second electrode are made of the same material, the fourth electrode is made of the same material as the third gate electrode, and the second insulator is made of the same material as the gate insulating film of the second transistor Preferably it consists of.

また、上記半導体装置において、第1のトランジスタのキャリア移動度は、第2のトランジスタのキャリア移動度より高いことが好ましい。 In the above semiconductor device, the carrier mobility of the first transistor is preferably higher than the carrier mobility of the second transistor.

また、上記半導体装置において、第2のトランジスタに印加されるゲート電圧が0Vの時の第2のトランジスタのドレイン電流は、第1のトランジスタに印加されるゲート電圧が0Vの時の第1のトランジスタのドレイン電流より小さいことが好ましい。 In the semiconductor device, the drain current of the second transistor when the gate voltage applied to the second transistor is 0V is the first transistor when the gate voltage applied to the first transistor is 0V. It is preferable that the drain current is smaller.

酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。 In a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with high on-state current can be provided. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with low off-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device with reduced power consumption can be provided.

または、新規な半導体装置を提供することができる。または、該半導体装置を有するモジュールを提供することができる。または、該半導体装置、または該モジュールを有する電子機器を提供することができる。 Alternatively, a novel semiconductor device can be provided. Alternatively, a module including the semiconductor device can be provided. Alternatively, an electronic device including the semiconductor device or the module can be provided.

なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。 Note that the description of these effects does not disturb the existence of other effects. Note that one embodiment of the present invention need not have all of these effects. It should be noted that the effects other than these are naturally obvious from the description of the specification, drawings, claims, etc., and it is possible to extract the other effects from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. It is.

本発明の一態様に係る半導体装置の断面図および回路図。4A and 4B are a cross-sectional view and a circuit diagram of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の断面図および回路図。4A and 4B are a cross-sectional view and a circuit diagram of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の断面図および回路図。4A and 4B are a cross-sectional view and a circuit diagram of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタの断面構造を説明する図。6A and 6B illustrate a cross-sectional structure of a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタの断面構造を説明する図。6A and 6B illustrate a cross-sectional structure of a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る容量素子の断面構造を説明する図。3A and 3B illustrate a cross-sectional structure of a capacitor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタの断面構造を説明する図。6A and 6B illustrate a cross-sectional structure of a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の断面構造を説明する図。6A and 6B illustrate a cross-sectional structure of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る酸化物の原子数比の範囲を説明する図。4A and 4B illustrate a range of the atomic ratio of an oxide according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を示す図。4A to 4D illustrate a method for manufacturing a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を示す図。4A to 4D illustrate a method for manufacturing a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を示す図。4A to 4D illustrate a method for manufacturing a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を示す図。4A to 4D illustrate a method for manufacturing a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を示す図。4A to 4D illustrate a method for manufacturing a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を示す図。4A to 4D illustrate a method for manufacturing a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を示す図。4A to 4D illustrate a method for manufacturing a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体ウエハの上面図。1 is a top view of a semiconductor wafer according to one embodiment of the present invention. 電子部品の作製工程例を説明するフローチャートおよび斜視模式図。10A and 10B are a flowchart and a perspective schematic diagram illustrating an example of a manufacturing process of an electronic component. 本発明の一態様に係る電子機器を示す図。FIG. 14 illustrates an electronic device according to one embodiment of the present invention.

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. However, the embodiments can be implemented in many different modes, and it is easily understood by those skilled in the art that the modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope thereof. . Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the following embodiments.

また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。また、図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。 In the drawings, the size, the layer thickness, or the region is exaggerated for simplicity in some cases. Therefore, it is not necessarily limited to the scale. The drawings schematically show an ideal example, and are not limited to the shapes or values shown in the drawings. In the drawings, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and description thereof is not repeated. In addition, in the case where the same function is indicated, the hatch pattern is the same, and there is a case where no reference numeral is given.

また、本明細書などにおいて、第1、第2等として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第1の」を「第2の」又は「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。 In this specification and the like, the ordinal numbers attached as the first, second, etc. are used for convenience and do not indicate the order of steps or the order of lamination. Therefore, for example, the description can be made by appropriately replacing “first” with “second” or “third”. In addition, the ordinal numbers described in this specification and the like may not match the ordinal numbers used to specify one embodiment of the present invention.

また、本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。 In addition, in this specification, terms indicating arrangement such as “above” and “below” are used for convenience to describe the positional relationship between components with reference to the drawings. Moreover, the positional relationship between components changes suitably according to the direction which draws each structure. Therefore, the present invention is not limited to the words and phrases described in the specification, and can be appropriately rephrased depending on the situation.

また、本明細書等において、半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。撮像装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、電気光学装置、発電装置(薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む)、および電子機器は、半導体装置を有する場合がある。 In this specification and the like, a semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics. A semiconductor element such as a transistor, a semiconductor circuit, an arithmetic device, and a memory device are one embodiment of the semiconductor device. An imaging device, a display device, a liquid crystal display device, a light-emitting device, an electro-optical device, a power generation device (including a thin film solar cell, an organic thin film solar cell, and the like) and an electronic device may include a semiconductor device.

また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン(ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極)とソース(ソース端子、ソース領域またはソース電極)の間にチャネル形成領域を有しており、チャネル形成領域を介して、ソースとドレインとの間に電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル形成領域とは、電流が主として流れる領域をいう。 In this specification and the like, a transistor is an element having at least three terminals including a gate, a drain, and a source. A channel formation region is provided between the drain (drain terminal, drain region or drain electrode) and the source (source terminal, source region or source electrode), and between the source and drain via the channel formation region. It is possible to pass a current through. Note that in this specification and the like, a channel formation region refers to a region through which a current mainly flows.

また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。 In addition, the functions of the source and drain may be switched when transistors having different polarities are employed or when the direction of current changes during circuit operation. Therefore, in this specification and the like, the terms source and drain can be used interchangeably.

なお、本明細書等において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものであって、好ましくは酸素が55原子%以上65原子%以下、窒素が1原子%以上20原子%以下、シリコンが25原子%以上35原子%以下、水素が0.1原子%以上10原子%以下の濃度範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものであって、好ましくは窒素が55原子%以上65原子%以下、酸素が1原子%以上20原子%以下、シリコンが25原子%以上35原子%以下、水素が0.1原子%以上10原子%以下の濃度範囲で含まれるものをいう。 Note that in this specification and the like, a silicon oxynitride film has a composition that contains more oxygen than nitrogen, and preferably contains 55 atomic% to 65 atomic% of oxygen and 1 atom of nitrogen. % To 20 atomic%, silicon is contained in a concentration range of 25 atomic% to 35 atomic%, and hydrogen is contained in a concentration range of 0.1 atomic% to 10 atomic%. The silicon nitride oxide film has a composition containing more nitrogen than oxygen. Preferably, nitrogen is 55 atomic% to 65 atomic% and oxygen is 1 atomic% to 20 atomic%. , Which includes silicon in a concentration range of 25 atomic% to 35 atomic% and hydrogen in a concentration range of 0.1 atomic% to 10 atomic%.

また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。 In this specification and the like, the terms “film” and “layer” can be interchanged with each other. For example, the term “conductive layer” may be changed to the term “conductive film”. Alternatively, for example, the term “insulating film” may be changed to the term “insulating layer” in some cases.

また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、エンハンスメント型(ノーマリーオフ型)の電界効果トランジスタとする。また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、nチャネル型のトランジスタとする。よって、そのしきい値電圧(「Vth」ともいう。)は、明示されている場合を除き、0Vよりも大きいものとする。 The transistors described in this specification and the like are enhancement-type (normally-off-type) field effect transistors unless otherwise specified. The transistors described in this specification and the like are n-channel transistors unless otherwise specified. Therefore, the threshold voltage (also referred to as “Vth”) is assumed to be greater than 0 V unless otherwise specified.

また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が−10°以上10°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−30°以上30°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、85°以上95°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が60°以上120°以下の角度で配置されている状態をいう。 Further, in this specification and the like, “parallel” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of −10 ° to 10 °. Therefore, the case of −5 ° to 5 ° is also included. Further, “substantially parallel” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of −30 ° to 30 °. “Vertical” refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of 80 ° to 100 °. Therefore, the case of 85 ° to 95 ° is also included. Further, “substantially vertical” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 60 ° to 120 °.

また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。 In this specification, when a crystal is trigonal or rhombohedral, it is represented as a hexagonal system.

例えば、本明細書等において、XとYとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、XとYとが電気的に接続されている場合と、XとYとが機能的に接続されている場合と、XとYとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に記載されているものとする。 For example, in this specification and the like, when X and Y are explicitly described as being connected, X and Y are electrically connected, and X and Y are functional. And the case where X and Y are directly connected are disclosed in this specification and the like. Therefore, it is not limited to a predetermined connection relationship, for example, the connection relationship shown in the figure or text, and anything other than the connection relation shown in the figure or text is also described in the figure or text.

ここで、X、Yは、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など)であるとする。 Here, X and Y are assumed to be objects (for example, devices, elements, circuits, wirings, electrodes, terminals, conductive films, layers, etc.).

XとYとが直接的に接続されている場合の一例としては、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)が、XとYとの間に接続されていない場合であり、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)を介さずに、XとYとが、接続されている場合である。 As an example of the case where X and Y are directly connected, an element that enables electrical connection between X and Y (for example, a switch, a transistor, a capacitor, an inductor, a resistor, a diode, a display, etc.) Element, light emitting element, load, etc.) are not connected between X and Y, and elements (for example, switches, transistors, capacitive elements, inductors) that enable electrical connection between X and Y X and Y are not connected via a resistor element, a diode, a display element, a light emitting element, a load, or the like.

XとYとが電気的に接続されている場合の一例としては、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、導通状態(オン状態)、または、非導通状態(オフ状態)になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。なお、XとYとが電気的に接続されている場合は、XとYとが直接的に接続されている場合を含むものとする。 As an example of the case where X and Y are electrically connected, an element (for example, a switch, a transistor, a capacitive element, an inductor, a resistance element, a diode, a display, etc.) that enables electrical connection between X and Y is shown. More than one element, light emitting element, load, etc.) can be connected between X and Y. Note that the switch has a function of controlling on / off. That is, the switch is in a conductive state (on state) or a non-conductive state (off state), and has a function of controlling whether or not to pass a current. Alternatively, the switch has a function of selecting and switching a path through which a current flows. Note that the case where X and Y are electrically connected includes the case where X and Y are directly connected.

XとYとが機能的に接続されている場合の一例としては、XとYとの機能的な接続を可能とする回路(例えば、論理回路(インバータ、NAND回路、NOR回路など)、信号変換回路(DA変換回路、AD変換回路、ガンマ補正回路など)、電位レベル変換回路(電源回路(昇圧回路、降圧回路など)、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など)、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路(信号振幅または電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など)、信号生成回路、記憶回路、制御回路など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが可能である。なお、一例として、XとYとの間に別の回路を挟んでいても、Xから出力された信号がYへ伝達される場合は、XとYとは機能的に接続されているものとする。なお、XとYとが機能的に接続されている場合は、XとYとが直接的に接続されている場合と、XとYとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。 As an example of the case where X and Y are functionally connected, a circuit (for example, a logic circuit (an inverter, a NAND circuit, a NOR circuit, etc.) that enables a functional connection between X and Y, signal conversion, etc. Circuit (DA conversion circuit, AD conversion circuit, gamma correction circuit, etc.), potential level conversion circuit (power supply circuit (boost circuit, step-down circuit, etc.), level shifter circuit that changes signal potential level, etc.), voltage source, current source, switching Circuit, amplifier circuit (circuit that can increase signal amplitude or current amount, operational amplifier, differential amplifier circuit, source follower circuit, buffer circuit, etc.), signal generation circuit, memory circuit, control circuit, etc.) One or more can be connected between them. As an example, even if another circuit is interposed between X and Y, if the signal output from X is transmitted to Y, X and Y are functionally connected. To do. Note that the case where X and Y are functionally connected includes the case where X and Y are directly connected and the case where X and Y are electrically connected.

なお、XとYとが電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、XとYとが電気的に接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の素子又は別の回路を挟んで接続されている場合)と、XとYとが機能的に接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の回路を挟んで機能的に接続されている場合)と、XとYとが直接接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の素子又は別の回路を挟まずに接続されている場合)とが、本明細書等に開示されているものとする。つまり、電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、単に、接続されている、とのみ明示的に記載されている場合と同様な内容が、本明細書等に開示されているものとする。 In addition, when it is explicitly described that X and Y are electrically connected, a case where X and Y are electrically connected (that is, there is a separate connection between X and Y). And X and Y are functionally connected (that is, they are functionally connected with another circuit between X and Y). And the case where X and Y are directly connected (that is, the case where another element or another circuit is not connected between X and Y). It shall be disclosed in the document. In other words, when it is explicitly described that it is electrically connected, the same contents as when it is explicitly described only that it is connected are disclosed in this specification and the like. It is assumed that

なお、例えば、トランジスタのソース(又は第1の端子など)が、Z1を介して(又は介さず)、Xと電気的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)が、Z2を介して(又は介さず)、Yと電気的に接続されている場合や、トランジスタのソース(又は第1の端子など)が、Z1の一部と直接的に接続され、Z1の別の一部がXと直接的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)が、Z2の一部と直接的に接続され、Z2の別の一部がYと直接的に接続されている場合では、以下のように表現することが出来る。 Note that for example, the source (or the first terminal) of the transistor is electrically connected to X through (or not through) Z1, and the drain (or the second terminal or the like) of the transistor is connected to Z2. Through (or without), Y is electrically connected, or the source (or the first terminal, etc.) of the transistor is directly connected to a part of Z1, and another part of Z1 Is directly connected to X, and the drain (or second terminal, etc.) of the transistor is directly connected to a part of Z2, and another part of Z2 is directly connected to Y. Then, it can be expressed as follows.

例えば、「XとYとトランジスタのソース(又は第1の端子など)とドレイン(又は第2の端子など)とは、互いに電気的に接続されており、X、トランジスタのソース(又は第1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yの順序で電気的に接続されている。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、Xと電気的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)はYと電気的に接続され、X、トランジスタのソース(又は第1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yは、この順序で電気的に接続されている」と表現することができる。または、「Xは、トランジスタのソース(又は第1の端子など)とドレイン(又は第2の端子など)とを介して、Yと電気的に接続され、X、トランジスタのソース(又は第1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yは、この接続順序で設けられている」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続の順序について規定することにより、トランジスタのソース(又は第1の端子など)と、ドレイン(又は第2の端子など)とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。 For example, “X and Y, and the source (or the first terminal or the like) and the drain (or the second terminal or the like) of the transistor are electrically connected to each other. The drain of the transistor (or the second terminal, etc.) and the Y are electrically connected in this order. ” Or “the source (or the first terminal or the like) of the transistor is electrically connected to X, the drain (or the second terminal or the like) of the transistor is electrically connected to Y, and X or the source ( Or the first terminal or the like, the drain of the transistor (or the second terminal, or the like) and Y are electrically connected in this order. Or “X is electrically connected to Y through the source (or the first terminal) and the drain (or the second terminal) of the transistor, and X is the source of the transistor (or the first terminal). Terminal, etc.), the drain of the transistor (or the second terminal, etc.), and Y are provided in this connection order. By using the same expression method as in these examples and defining the order of connection in the circuit configuration, the source (or the first terminal, etc.) and the drain (or the second terminal, etc.) of the transistor are separated. Apart from that, the technical scope can be determined.

または、別の表現方法として、例えば、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、少なくとも第1の接続経路を介して、Xと電気的に接続され、前記第1の接続経路は、第2の接続経路を有しておらず、前記第2の接続経路は、トランジスタを介した、トランジスタのソース(又は第1の端子など)とトランジスタのドレイン(又は第2の端子など)との間の経路であり、前記第1の接続経路は、Z1を介した経路であり、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)は、少なくとも第3の接続経路を介して、Yと電気的に接続され、前記第3の接続経路は、前記第2の接続経路を有しておらず、前記第3の接続経路は、Z2を介した経路である。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、少なくとも第1の接続経路によって、Z1を介して、Xと電気的に接続され、前記第1の接続経路は、第2の接続経路を有しておらず、前記第2の接続経路は、トランジスタを介した接続経路を有し、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)は、少なくとも第3の接続経路によって、Z2を介して、Yと電気的に接続され、前記第3の接続経路は、前記第2の接続経路を有していない。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、少なくとも第1の電気的パスによって、Z1を介して、Xと電気的に接続され、前記第1の電気的パスは、第2の電気的パスを有しておらず、前記第2の電気的パスは、トランジスタのソース(又は第1の端子など)からトランジスタのドレイン(又は第2の端子など)への電気的パスであり、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)は、少なくとも第3の電気的パスによって、Z2を介して、Yと電気的に接続され、前記第3の電気的パスは、第4の電気的パスを有しておらず、前記第4の電気的パスは、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)からトランジスタのソース(又は第1の端子など)への電気的パスである。」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続経路について規定することにより、トランジスタのソース(又は第1の端子など)と、ドレイン(又は第2の端子など)とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。 Alternatively, as another expression method, for example, “a source (or a first terminal or the like of a transistor) is electrically connected to X through at least a first connection path, and the first connection path is The second connection path does not have a second connection path, and the second connection path includes a transistor source (or first terminal or the like) and a transistor drain (or second terminal or the like) through the transistor. The first connection path is a path through Z1, and the drain (or the second terminal, etc.) of the transistor is electrically connected to Y through at least the third connection path. The third connection path is connected and does not have the second connection path, and the third connection path is a path through Z2. " Or, “the source (or the first terminal or the like) of the transistor is electrically connected to X via Z1 by at least a first connection path, and the first connection path is a second connection path. The second connection path has a connection path through the transistor, and the drain (or the second terminal, etc.) of the transistor is at least connected to Z2 by the third connection path. , Y, and the third connection path does not have the second connection path. Or “the source of the transistor (or the first terminal or the like) is electrically connected to X through Z1 by at least a first electrical path, and the first electrical path is a second electrical path Does not have an electrical path, and the second electrical path is an electrical path from the source (or first terminal or the like) of the transistor to the drain (or second terminal or the like) of the transistor; The drain (or the second terminal or the like) of the transistor is electrically connected to Y through Z2 by at least a third electrical path, and the third electrical path is a fourth electrical path. The fourth electrical path is an electrical path from the drain (or second terminal or the like) of the transistor to the source (or first terminal or the like) of the transistor. can do. Using the same expression method as those examples, by defining the connection path in the circuit configuration, the source (or the first terminal or the like) of the transistor and the drain (or the second terminal or the like) are distinguished. The technical scope can be determined.

なお、これらの表現方法は、一例であり、これらの表現方法に限定されない。ここで、X、Y、Z1、Z2は、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など)であるとする。 In addition, these expression methods are examples, and are not limited to these expression methods. Here, it is assumed that X, Y, Z1, and Z2 are objects (for example, devices, elements, circuits, wirings, electrodes, terminals, conductive films, layers, and the like).

なお、回路図上は独立している構成要素同士が電気的に接続しているように図示されている場合であっても、1つの構成要素が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もある。例えば配線の一部が電極としても機能する場合は、一の導電膜が、配線の機能、および電極の機能の両方の構成要素の機能を併せ持っている。したがって、本明細書における電気的に接続とは、このような、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合も、その範疇に含める。 In addition, even when the components shown in the circuit diagram are electrically connected to each other, even when one component has the functions of a plurality of components. There is also. For example, in the case where part of the wiring also functions as an electrode, one conductive film has both the functions of both the wiring function and the electrode function. Therefore, the term “electrically connected” in this specification includes in its category such a case where one conductive film has functions of a plurality of components.

なお、本明細書において、バリア膜とは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する膜のことであり、該バリア膜に導電性を有する場合は、導電性バリア膜と呼ぶことがある。 Note that in this specification, a barrier film is a film having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen, and when the barrier film has conductivity, the barrier film is referred to as a conductive barrier film. There is.

(実施の形態1)
半導体装置に異なる電気特性を有するトランジスタを設けることで、半導体装置の設計自由度を高めることができる。また、異なる電気特性を有するトランジスタをそれぞれ異なる層に設けることで、半導体装置の集積度を高めることができる。具体的には、半導体材料の組成や、半導体の膜厚がそれぞれ異なるトランジスタを設け、半導体装置内に、キャリア移動度やオン電流がより高いトランジスタと、ゲート電圧が0Vの時のドレイン電流がより小さいトランジスタを作りわける。スイッチングトランジスタなど、高い動作周波数が求められるトランジスタには、キャリア移動度やオン電流がより高いトランジスタを用いる。保持用トランジスタなど、容量素子や電極に電荷を保持するためのトランジスタには、ゲート電圧が0Vの時のドレイン電流がより小さいトランジスタを用いる。本実施の形態で後述するように、このようなトランジスタを組み合わせて構成される半導体装置は、様々な機能を有することができる。また、本実施の形態では、異なる電気特性を有するトランジスタをそれぞれ異なる層に設ける実施形態の一例を説明する。
(Embodiment 1)
By providing the semiconductor device with transistors having different electrical characteristics, the degree of freedom in designing the semiconductor device can be increased. Further, by providing transistors having different electrical characteristics in different layers, the degree of integration of the semiconductor device can be increased. Specifically, transistors having different compositions of semiconductor materials and different semiconductor film thicknesses are provided, a transistor with higher carrier mobility and on-current, and a drain current when the gate voltage is 0 V are more in the semiconductor device. Make small transistors. As a transistor that requires a high operating frequency, such as a switching transistor, a transistor with higher carrier mobility and higher on-state current is used. As a transistor for holding charge in a capacitor or an electrode such as a holding transistor, a transistor having a smaller drain current when the gate voltage is 0V is used. As described later in this embodiment, a semiconductor device formed by combining such transistors can have various functions. In this embodiment, an example of an embodiment in which transistors having different electrical characteristics are provided in different layers will be described.

<半導体装置1000の構成例>
図1(A)は、半導体装置1000を示す断面図、図1(B)は、半導体装置1000を示す回路図である。半導体装置1000はトランジスタ100およびトランジスタ200を有する。トランジスタ100およびトランジスタ200は、異なる構成を有する。また、トランジスタ200は、トランジスタ100を覆うように設けられた絶縁体110上に設けられている。
<Configuration Example of Semiconductor Device 1000>
FIG. 1A is a cross-sectional view illustrating the semiconductor device 1000, and FIG. 1B is a circuit diagram illustrating the semiconductor device 1000. The semiconductor device 1000 includes a transistor 100 and a transistor 200. The transistor 100 and the transistor 200 have different structures. The transistor 200 is provided over an insulator 110 provided so as to cover the transistor 100.

図1(A)において、トランジスタ100は、絶縁体基板、半導体基板または、絶縁表面を有する基板上に設けられ、導電体101、絶縁体103、半導体104、導電体105、導電体106、絶縁体108、および導電体109を有する。導電体101は、絶縁体102に埋め込まれるように形成されている。また、導電体101はトランジスタ100の第1のゲート電極として機能する。半導体104の少なくとも一部は、導電体101の少なくとも一部と重なるように設けられる。導電体101と半導体104の間に設けられる絶縁体103は第1のゲート絶縁膜として機能することができる。導電体105は、ソース電極およびドレイン電極の一方として機能し、半導体104と電気的に接続する。また、導電体106は、ソース電極およびドレイン電極の他方として機能し、半導体104と電気的に接続する。一方、半導体104中にソース領域およびドレイン領域として機能する領域が設けられている場合は、必ずしも導電体105および導電体106を設ける必要は無い。導電体109は第2のゲート電極として機能する。絶縁体108は、半導体104と導電体109の間に設けられ、第2のゲート絶縁膜として機能する。絶縁体108は、少なくとも導電体109と半導体104が重なる部分に設けられていればよく、半導体104全体を覆うように設けられてもよいし、半導体104および絶縁体103を覆うように設けられてもよい。 In FIG. 1A, a transistor 100 is provided over an insulator substrate, a semiconductor substrate, or a substrate having an insulating surface, and is formed using a conductor 101, an insulator 103, a semiconductor 104, a conductor 105, a conductor 106, and an insulator. 108 and a conductor 109. The conductor 101 is formed so as to be embedded in the insulator 102. In addition, the conductor 101 functions as a first gate electrode of the transistor 100. At least part of the semiconductor 104 is provided so as to overlap with at least part of the conductor 101. The insulator 103 provided between the conductor 101 and the semiconductor 104 can function as a first gate insulating film. The conductor 105 functions as one of a source electrode and a drain electrode and is electrically connected to the semiconductor 104. In addition, the conductor 106 functions as the other of the source electrode and the drain electrode and is electrically connected to the semiconductor 104. On the other hand, in the case where regions serving as a source region and a drain region are provided in the semiconductor 104, the conductor 105 and the conductor 106 are not necessarily provided. The conductor 109 functions as a second gate electrode. The insulator 108 is provided between the semiconductor 104 and the conductor 109 and functions as a second gate insulating film. The insulator 108 only needs to be provided at least in a portion where the conductor 109 and the semiconductor 104 overlap with each other. The insulator 108 may be provided so as to cover the entire semiconductor 104, or may be provided so as to cover the semiconductor 104 and the insulator 103. Also good.

トランジスタ100は絶縁体110に覆われている。絶縁体110に埋め込まれるように導電体112および導電体113が設けられている。導電体112は導電体105を介して半導体104と電気的に接続しており、導電体113は導電体106を介して半導体104と電気的に接続されている。絶縁体110上に導電体114および導電体115が設けられている。導電体114は導電体112と電気的に接続し、導電体115は導電体113と電気的に接続する。 The transistor 100 is covered with an insulator 110. A conductor 112 and a conductor 113 are provided so as to be embedded in the insulator 110. The conductor 112 is electrically connected to the semiconductor 104 through the conductor 105, and the conductor 113 is electrically connected to the semiconductor 104 through the conductor 106. A conductor 114 and a conductor 115 are provided over the insulator 110. The conductor 114 is electrically connected to the conductor 112, and the conductor 115 is electrically connected to the conductor 113.

絶縁体103および絶縁体110に埋め込まれるように導電体117が設けられ、導電体116と電気的に接続する。導電体116は、導電体101と同じ層に設けられ、導電体101と電気的に接続していてもよい。あるいは、導電体101と導電体116は一体物でもよい。 A conductor 117 is provided so as to be embedded in the insulator 103 and the insulator 110 and is electrically connected to the conductor 116. The conductor 116 may be provided in the same layer as the conductor 101 and may be electrically connected to the conductor 101. Alternatively, the conductor 101 and the conductor 116 may be integrated.

絶縁体110上にトランジスタ200が設けられる。トランジスタ200は、絶縁体110上の半導体201、導電体202、導電体203、絶縁体204、導電体205を有する。半導体201は半導体104と特性が異なる。具体的には、半導体の材料、半導体に含まれる元素の含有比率、半導体の膜厚などが異なる。また、半導体に形成されるチャネル形成領域の幅や長さを変えることで特性を異ならせる場合もある。導電体202はトランジスタ200のソース電極およびドレイン電極の一方として機能し、導電体117と電気的に接続する。導電体203はソース電極およびドレイン電極の他方として機能する。絶縁体204は、半導体201、導電体202、および導電体203を覆うように設けられる。また、絶縁体204は、導電体114および導電体115も覆うように設けてもよい。導電体205は、少なくともその一部が半導体201の少なくとも一部と重なるように絶縁体204上に設けられる。導電体205はトランジスタ200のゲート電極として機能する。 A transistor 200 is provided over the insulator 110. The transistor 200 includes a semiconductor 201 over the insulator 110, a conductor 202, a conductor 203, an insulator 204, and a conductor 205. The semiconductor 201 has different characteristics from the semiconductor 104. Specifically, the semiconductor material, the content ratio of elements contained in the semiconductor, the thickness of the semiconductor, and the like are different. In addition, characteristics may be changed by changing the width or length of a channel formation region formed in a semiconductor. The conductor 202 functions as one of a source electrode and a drain electrode of the transistor 200 and is electrically connected to the conductor 117. The conductor 203 functions as the other of the source electrode and the drain electrode. The insulator 204 is provided so as to cover the semiconductor 201, the conductor 202, and the conductor 203. The insulator 204 may be provided so as to cover the conductor 114 and the conductor 115. The conductor 205 is provided over the insulator 204 so that at least part of the conductor 205 overlaps with at least part of the semiconductor 201. The conductor 205 functions as a gate electrode of the transistor 200.

トランジスタ200は絶縁体206に覆われている。絶縁体206に埋め込まれるように導電体207、導電体208、および導電体209が設けられる。導電体207は導電体205と電気的に接続し、導電体208は導電体202と電気的に接続し、導電体209は導電体203と電気的に接続する。絶縁体206上に導電体210および導電体211が設けられる。導電体210は導電体207および導電体208と電気的に接続し、導電体211は導電体209と電気的に接続する。また、導電体210および導電体211を覆うように絶縁体212が設けられていてもよい。 The transistor 200 is covered with an insulator 206. A conductor 207, a conductor 208, and a conductor 209 are provided so as to be embedded in the insulator 206. The conductor 207 is electrically connected to the conductor 205, the conductor 208 is electrically connected to the conductor 202, and the conductor 209 is electrically connected to the conductor 203. A conductor 210 and a conductor 211 are provided over the insulator 206. The conductor 210 is electrically connected to the conductors 207 and 208, and the conductor 211 is electrically connected to the conductor 209. Further, an insulator 212 may be provided so as to cover the conductor 210 and the conductor 211.

すなわち、本実施の形態では、トランジスタ100の第1のゲートと、トランジスタ200のゲートと、トランジスタ200のソースおよびドレインの一方と、が導電体116、導電体117、導電体202、導電体208、導電体210、および導電体207等を介して電気的に接続される。また、導電体109、導電体114、導電体115、および導電体211は、それぞれ端子1001、端子1002、端子1003、および端子1004と電気的に接続する。 That is, in this embodiment, the first gate of the transistor 100, the gate of the transistor 200, and one of the source and the drain of the transistor 200 are the conductor 116, the conductor 117, the conductor 202, the conductor 208, Electrical connection is made through the conductor 210, the conductor 207, and the like. In addition, the conductor 109, the conductor 114, the conductor 115, and the conductor 211 are electrically connected to the terminal 1001, the terminal 1002, the terminal 1003, and the terminal 1004, respectively.

トランジスタ100およびトランジスタ200を図1(A)および図1(B)のように接続することで、端子1004の電位を導電体101に与え、保持することが可能となる。第1のゲート電極として機能する導電体101に所望の電位を与えることでトランジスタ100の閾値を制御し、半導体装置1000は良好な特性が得られる。特に、トランジスタ100として、キャリア移動度あるいはオン電流がより高いトランジスタを用いることで、半導体装置1000は、高速動作が可能となる。また、トランジスタ200として、ゲート電圧が0Vの時のドレイン電流がより低いトランジスタを用いることで、導電体101の電荷を長期にわたって、より低い消費電力にて保持することが可能となる。 By connecting the transistor 100 and the transistor 200 as illustrated in FIGS. 1A and 1B, the potential of the terminal 1004 can be applied to the conductor 101 and held. By applying a desired potential to the conductor 101 functioning as the first gate electrode, the threshold value of the transistor 100 is controlled, and the semiconductor device 1000 can have favorable characteristics. In particular, by using a transistor with higher carrier mobility or higher on-state current as the transistor 100, the semiconductor device 1000 can operate at high speed. Further, by using a transistor having a lower drain current when the gate voltage is 0 V as the transistor 200, the charge of the conductor 101 can be held for a long time with lower power consumption.

しかしながら、トランジスタ100とトランジスタ200の接続関係は本実施の形態に限定されない。必要な回路構成に応じて適宜接続関係を変更できる。 However, the connection relation between the transistor 100 and the transistor 200 is not limited to this embodiment mode. The connection relationship can be changed as appropriate according to the required circuit configuration.

<半導体装置1000aの構成例>
図2(A)は、半導体装置1000aを示す断面図、図2(B)は、半導体装置1000aを示す回路図、図2(C)は、半導体装置1000aを用いた応用例を示す回路図である。半導体装置1000aは、トランジスタ100、トランジスタ200、および容量素子300を有する。トランジスタ100およびトランジスタ200は、異なる構成を有する。また、トランジスタ200および容量素子300は、トランジスタ100を覆うように設けられた絶縁体110上、かつ同一層に設けられている。
<Configuration Example of Semiconductor Device 1000a>
2A is a cross-sectional view illustrating the semiconductor device 1000a, FIG. 2B is a circuit diagram illustrating the semiconductor device 1000a, and FIG. 2C is a circuit diagram illustrating an application example using the semiconductor device 1000a. is there. The semiconductor device 1000a includes the transistor 100, the transistor 200, and the capacitor 300. The transistor 100 and the transistor 200 have different structures. The transistor 200 and the capacitor 300 are provided over the insulator 110 provided so as to cover the transistor 100 and in the same layer.

図2(A)において、トランジスタ100およびトランジスタ200は半導体装置1000で説明したトランジスタ100およびトランジスタ200を用いることができるため、重複する説明は省略する。容量素子300は導電体301、絶縁体204、および導電体303を有する。導電体301は第1の電極(下部電極)として機能し、導電体303は第2の電極(上部電極)として機能する。絶縁体204は誘電体として機能する。 In FIG. 2A, the transistor 100 and the transistor 200 which are described in the semiconductor device 1000 can be used as the transistor 100 and the transistor 200, and thus redundant description is omitted. The capacitor 300 includes a conductor 301, an insulator 204, and a conductor 303. The conductor 301 functions as a first electrode (lower electrode), and the conductor 303 functions as a second electrode (upper electrode). The insulator 204 functions as a dielectric.

導電体301は、トランジスタ200の導電体202や導電体203等と同じ材料からなり、同時に形成される。絶縁体204は、トランジスタ200のゲート絶縁膜と同じ層からなる。導電体303は、トランジスタ200の導電体205と同じ材料からなり、同時に形成される。また、導電体303と電気的に接続する導電体304および導電体305を設けてもよい。導電体304は、トランジスタ200、および容量素子300を覆うように設けられた絶縁体206に埋め込まれるように設けられる。また、導電体305は絶縁体206上に設けられる。 The conductor 301 is made of the same material as the conductor 202 and the conductor 203 of the transistor 200 and is formed at the same time. The insulator 204 is formed of the same layer as the gate insulating film of the transistor 200. The conductor 303 is made of the same material as the conductor 205 of the transistor 200 and is formed at the same time. Further, a conductor 304 and a conductor 305 which are electrically connected to the conductor 303 may be provided. The conductor 304 is provided so as to be embedded in the insulator 206 provided so as to cover the transistor 200 and the capacitor 300. In addition, the conductor 305 is provided over the insulator 206.

導電体301は、絶縁体110に埋め込まれるように設けられた導電体112を介して、トランジスタ100のソースおよびドレインの一方と電気的に接続される。 The conductor 301 is electrically connected to one of a source and a drain of the transistor 100 through a conductor 112 provided so as to be embedded in the insulator 110.

図2(A)では、トランジスタ100の第1のゲートと、トランジスタ200のゲートと、トランジスタ200のソースおよびドレインの一方と、が導電体116、導電体117、導電体202、導電体208、導電体210、および導電体207等を介して電気的に接続される。また、トランジスタ100の第2のゲート電極として機能する導電体109は端子1001と電気的に接続され、トランジスタ100のソースおよびドレインの一方は、容量素子300の第1の電極と電気的に接続され、トランジスタ100のソースおよびドレインの他方は、端子1003と電気的に接続され、トランジスタ200のソースおよびドレインの他方は、端子1004と電気的に接続され、容量素子300の第2の電極は端子1005と電気的に接続される。 In FIG. 2A, the first gate of the transistor 100, the gate of the transistor 200, and one of the source and the drain of the transistor 200 are the conductor 116, the conductor 117, the conductor 202, the conductor 208, the conductor It is electrically connected through the body 210, the conductor 207, and the like. The conductor 109 functioning as the second gate electrode of the transistor 100 is electrically connected to the terminal 1001, and one of the source and the drain of the transistor 100 is electrically connected to the first electrode of the capacitor 300. The other of the source and the drain of the transistor 100 is electrically connected to the terminal 1003, the other of the source and the drain of the transistor 200 is electrically connected to the terminal 1004, and the second electrode of the capacitor 300 is connected to the terminal 1005. And electrically connected.

トランジスタ100、トランジスタ200、および容量素子300を図2(A)のように接続することで、半導体装置1000aは記憶素子(メモリセル)を構成することができる。 By connecting the transistor 100, the transistor 200, and the capacitor 300 as illustrated in FIG. 2A, the semiconductor device 1000a can form a memory element (memory cell).

図2(B)は、図2(A)を示す回路図で、メモリセル1010がトランジスタ100と容量素子300を有し、トランジスタ100の第1のゲートにトランジスタ200が接続されている構成を示している。図2(A)に示す端子1001は、図2(B)に示すワード線(WL)に接続され、端子1003はビット線(BL)に接続される。また、端子1005には接地電位、あるいは任意の電位が与えられる。 FIG. 2B is a circuit diagram illustrating FIG. 2A, in which the memory cell 1010 includes the transistor 100 and the capacitor 300, and the transistor 200 is connected to the first gate of the transistor 100. ing. A terminal 1001 illustrated in FIG. 2A is connected to the word line (WL) illustrated in FIG. 2B, and a terminal 1003 is connected to the bit line (BL). In addition, a ground potential or an arbitrary potential is applied to the terminal 1005.

WLの信号によりトランジスタ100をONにすることでBLの電位を容量素子300の第1の電極に与えることができる。その後、WLの信号によりトランジスタ100をOFFにすることで、容量素子300に電荷を保持することができる。これにより情報の書き込みが行える。 When the transistor 100 is turned on by a WL signal, the potential of BL can be applied to the first electrode of the capacitor 300. After that, the transistor 100 is turned off by a WL signal, whereby charge can be held in the capacitor 300. Thereby, information can be written.

情報を読み出す際は、WLの信号によりトランジスタ100をONにし、BLに接続された読み出し回路にて容量素子300に保持された電荷量を読み出す。 When reading information, the transistor 100 is turned on by a WL signal, and the charge amount held in the capacitor 300 is read by a reading circuit connected to BL.

トランジスタ100として、キャリア移動度あるいはオン電流がより高いトランジスタを用いることで、半導体装置1000aにおけるメモリセル1010への情報の書き込みやメモリセル1010からの情報の読み出しをより高速に行うことができる。また、トランジスタ200がトランジスタ100の第1のゲートとして機能する導電体101に接続されることで、トランジスタ100の閾値が制御され、メモリセル1010において長期間の情報の保持が可能となる。すなわち、トランジスタ200をONにし、端子1004の電位を導電体101に印加することで、導電体101に負の電荷を与えることができ、トランジスタ100の閾値をプラス側にシフトすることができる。トランジスタ100の閾値をプラス側にシフトすることで、トランジスタ100のゲート電圧が0Vの時のドレイン電流がより低くなり、メモリセル1010において長期間の情報の保持が可能となる。特に、トランジスタ200として、ゲート電圧が0Vの時のドレイン電流がより低いトランジスタを用いることで、導電体101に与えられた電荷を長期にわたって、より低い消費電力にて保持することが可能となる。 By using a transistor with higher carrier mobility or higher on-state current as the transistor 100, writing of information to the memory cell 1010 and reading of information from the memory cell 1010 in the semiconductor device 1000a can be performed at higher speed. Further, when the transistor 200 is connected to the conductor 101 functioning as the first gate of the transistor 100, the threshold value of the transistor 100 is controlled, and thus the memory cell 1010 can hold information for a long time. That is, when the transistor 200 is turned on and the potential of the terminal 1004 is applied to the conductor 101, a negative charge can be given to the conductor 101, and the threshold value of the transistor 100 can be shifted to the plus side. By shifting the threshold value of the transistor 100 to the plus side, the drain current when the gate voltage of the transistor 100 is 0 V becomes lower, and thus the memory cell 1010 can hold information for a long time. In particular, by using a transistor with a lower drain current when the gate voltage is 0 V as the transistor 200, the charge given to the conductor 101 can be held for a long time with lower power consumption.

図2(C)は、メモリセル1010をマトリクス状に複数配置したメモリセルアレイの一例を示す回路図である。このようなメモリセルアレイは、記憶装置や、記憶装置を有する集積回路として用いることができる。 FIG. 2C is a circuit diagram illustrating an example of a memory cell array in which a plurality of memory cells 1010 are arranged in a matrix. Such a memory cell array can be used as a memory device or an integrated circuit including the memory device.

なお、図2(C)では、一つのトランジスタ200がメモリセルアレイの全てのメモリセルに接続されている例を示しているが、本実施の形態はこれに限定されない。図2(D)に示すようにトランジスタ200をメモリセルアレイの行ごとに設けてもよい。また、図示しないが、トランジスタ200をメモリセルアレイの列ごとに設けても良いし、メモリセルアレイを複数のブロックに分割し、ブロックごとにトランジスタ200を設ける構成としても良い。 Note that FIG. 2C illustrates an example in which one transistor 200 is connected to all the memory cells in the memory cell array; however, this embodiment is not limited thereto. A transistor 200 may be provided for each row of the memory cell array as illustrated in FIG. Although not illustrated, the transistor 200 may be provided for each column of the memory cell array, or the memory cell array may be divided into a plurality of blocks and the transistor 200 may be provided for each block.

<半導体装置1000bの構成例>
図3(A)は、半導体装置1000bを示す断面図、図3(B)は、半導体装置1000bを示す回路図、図3(C)は、半導体装置1000bを用いた応用例を示す回路図である。半導体装置1000bは、トランジスタ100、トランジスタ200、容量素子300、およびトランジスタ400を有する。トランジスタ100およびトランジスタ200は、異なる構成を有する。また、トランジスタ100は、トランジスタ400を覆うように設けられた絶縁体404および絶縁体411上に設けられ、トランジスタ200、および容量素子300は、トランジスタ100を覆うように設けられた絶縁体110上の同一層に設けられている。
<Configuration Example of Semiconductor Device 1000b>
3A is a cross-sectional view illustrating the semiconductor device 1000b, FIG. 3B is a circuit diagram illustrating the semiconductor device 1000b, and FIG. 3C is a circuit diagram illustrating an application example using the semiconductor device 1000b. is there. The semiconductor device 1000b includes a transistor 100, a transistor 200, a capacitor 300, and a transistor 400. The transistor 100 and the transistor 200 have different structures. The transistor 100 is provided over the insulator 404 and the insulator 411 provided so as to cover the transistor 400, and the transistor 200 and the capacitor 300 are over the insulator 110 provided so as to cover the transistor 100. It is provided in the same layer.

図3(A)において、トランジスタ100、トランジスタ200、および容量素子300は半導体装置1000または半導体装置1000aで説明したトランジスタ100、トランジスタ200、および容量素子300を用いることができるため、重複する説明は省略する。トランジスタ400は、半導体401、絶縁体402、導電体403を有する。半導体401は半導体基板415に形成され、ソース領域およびドレイン領域の一方として機能する領域401a、ソース領域およびドレイン領域の他方として機能する領域401b、領域401aおよび領域401bの間に設けられ、チャネルとして機能する領域401cが設けられている。半導体基板415に複数の半導体401が設けられる場合、各半導体401の間には絶縁体416が設けられる。 In FIG. 3A, the transistor 100, the transistor 200, and the capacitor 300 described in the semiconductor device 1000 or the semiconductor device 1000a can be used as the transistor 100, the transistor 200, and the capacitor 300; To do. The transistor 400 includes a semiconductor 401, an insulator 402, and a conductor 403. The semiconductor 401 is formed over the semiconductor substrate 415 and is provided between a region 401a that functions as one of a source region and a drain region, a region 401b that functions as the other of a source region and a drain region, a region 401a, and a region 401b, and functions as a channel. An area 401c is provided. In the case where a plurality of semiconductors 401 are provided on the semiconductor substrate 415, an insulator 416 is provided between the semiconductors 401.

領域401c上に絶縁体402が設けられる。絶縁体402は、少なくとも領域401c上に設けられていればよく、半導体401全体を覆うように設けてもよいし、半導体基板415を覆うように設けてもよい。 An insulator 402 is provided over the region 401c. The insulator 402 only needs to be provided over at least the region 401c, and may be provided so as to cover the entire semiconductor 401 or may be provided so as to cover the semiconductor substrate 415.

トランジスタ400を覆うように半導体基板415上に絶縁体404が設けられる。絶縁体404に埋め込まれるように導電体405、導電体406、および導電体407が設けられる。導電体405は、領域401aと電気的に接続し、導電体406は、領域401bと電気的に接続し、導電体407は、導電体403と電気的に接続する。絶縁体404上には、導電体408、導電体409、および導電体410が設けられる。導電体408は、導電体405と電気的に接続し、導電体409は、導電体406と電気的に接続し、導電体410は、導電体407と電気的に接続する。 An insulator 404 is provided over the semiconductor substrate 415 so as to cover the transistor 400. A conductor 405, a conductor 406, and a conductor 407 are provided so as to be embedded in the insulator 404. The conductor 405 is electrically connected to the region 401a, the conductor 406 is electrically connected to the region 401b, and the conductor 407 is electrically connected to the conductor 403. A conductor 408, a conductor 409, and a conductor 410 are provided over the insulator 404. The conductor 408 is electrically connected to the conductor 405, the conductor 409 is electrically connected to the conductor 406, and the conductor 410 is electrically connected to the conductor 407.

導電体408、導電体409、および導電体410を覆うように絶縁体404上に絶縁体411が設けられる。絶縁体411に埋め込まれるように導電体412が設けられる。絶縁体411上には絶縁体102、トランジスタ100、トランジスタ200、容量素子300等が設けられる。絶縁体102には、導電体413が埋め込まれるように設けられる。導電体413は、導電体412と電気的に接続する。絶縁体103および絶縁体110に埋め込まれるように導電体414が設けられる。導電体414は導電体413および容量素子300の第1の電極として機能する導電体301と電気的に接続する。 An insulator 411 is provided over the insulator 404 so as to cover the conductor 408, the conductor 409, and the conductor 410. A conductor 412 is provided so as to be embedded in the insulator 411. The insulator 102, the transistor 100, the transistor 200, the capacitor 300, and the like are provided over the insulator 411. The insulator 102 is provided so that a conductor 413 is embedded therein. The conductor 413 is electrically connected to the conductor 412. A conductor 414 is provided so as to be embedded in the insulator 103 and the insulator 110. The conductor 414 is electrically connected to the conductor 413 and the conductor 301 functioning as the first electrode of the capacitor 300.

導電体408は、端子1006と電気的に接続し、導電体409は、端子1007と電気的に接続する。 The conductor 408 is electrically connected to the terminal 1006, and the conductor 409 is electrically connected to the terminal 1007.

トランジスタ100、トランジスタ200、容量素子300、およびトランジスタ400を図3(A)のように接続することで、半導体装置1000bは記憶素子(メモリセル)を構成することができる。 By connecting the transistor 100, the transistor 200, the capacitor 300, and the transistor 400 as illustrated in FIG. 3A, the semiconductor device 1000b can form a memory element (memory cell).

図3(B)は、図3(A)を示す回路図で、メモリセル1020がトランジスタ100、容量素子300、およびトランジスタ400を有し、トランジスタ100の第1のゲートにトランジスタ200が接続されている構成を示している。図3(A)に示す端子1001は、図3(B)に示す書き込みワード線(WWL)に接続され、端子1003はビット線(BL)に接続され、端子1005は、読み出しワード線(RWL)に接続され、端子1006は、ソース線(SL)に接続され、端子1007は、ビット線(BL)に接続される。ここで、トランジスタ400のゲートとトランジスタ100のソース電極またはドレイン電極の一方、および容量素子300の第1の電極とが電気的に接続される部位をノード(FG)と呼ぶ場合がある。 FIG. 3B is a circuit diagram illustrating FIG. 3A in which the memory cell 1020 includes the transistor 100, the capacitor 300, and the transistor 400, and the transistor 200 is connected to the first gate of the transistor 100. Shows the configuration. A terminal 1001 illustrated in FIG. 3A is connected to a write word line (WWL) illustrated in FIG. 3B, a terminal 1003 is connected to a bit line (BL), and a terminal 1005 is a read word line (RWL). The terminal 1006 is connected to the source line (SL), and the terminal 1007 is connected to the bit line (BL). Here, a portion where the gate of the transistor 400, one of the source electrode and the drain electrode of the transistor 100, and the first electrode of the capacitor 300 are electrically connected may be referred to as a node (FG).

このようなメモリセル1020による情報の書き込みについて説明する。書き込みワード線WWLの電位をトランジスタ100がオン状態となる電位にしてトランジスタ100をオン状態とすることで、ビット線BLの電位がトランジスタ400のゲート、及び容量素子300の第1の電極に与えられる。すなわち、トランジスタ400のゲートには所定の電荷が与えられる。ここでは、トランジスタ400のゲートには異なる二つの電位に対応する電荷(以下、低電位を与える電荷を電荷Q、高電位を与える電荷を電荷Qという)のいずれかが選択的に与えられるものとする。ここで、QとQの一方をデータ”1”に対応させ、他方をデータ”0”に対応させることによって、メモリセルに1ビットの情報を書き込むことができる。なお、トランジスタ400のゲートに与える電荷を異なる三つまたはそれ以上の電位に対応する電荷のうちから選択することによって、1メモリセルあたり多値(複数ビット)の情報を書き込み、半導体装置1000bの記憶容量を向上させても良い。 Information writing by such a memory cell 1020 will be described. By setting the potential of the write word line WWL to a potential at which the transistor 100 is turned on and the transistor 100 is turned on, the potential of the bit line BL is supplied to the gate of the transistor 400 and the first electrode of the capacitor 300. . That is, predetermined charge is given to the gate of the transistor 400. Here, one of charges corresponding to two different potentials (hereinafter, a charge giving a low potential is called a charge Q L and a charge giving a high potential is called a charge Q H ) is selectively given to the gate of the transistor 400. Shall. Here, by associating one of Q L and Q H with data “1” and the other with data “0”, 1-bit information can be written in the memory cell. Note that by selecting the charge applied to the gate of the transistor 400 from among charges corresponding to three or more different potentials, multi-value (multiple bits) information is written per memory cell, and the memory of the semiconductor device 1000b is stored. The capacity may be improved.

その後、書き込みワード線WWLの電位を低下させてトランジスタ100をオフ状態とすることにより、トランジスタ400のゲート及び容量素子300の第1の電極に与えられた電荷が保持される。 After that, the potential of the write word line WWL is decreased to turn off the transistor 100, whereby the charge given to the gate of the transistor 400 and the first electrode of the capacitor 300 is held.

上述したように、トランジスタ400がオン状態であり、トランジスタ400のソースまたはドレインはソース線SLの固定電位としている。そのため、電荷を保持する際の書き込みワード線WWLの電位の低下に影響されることなく、トランジスタ400のゲート、及び容量素子300の第1の電極に与えられた電位の低下を抑えることが可能である。 As described above, the transistor 400 is on, and the source or drain of the transistor 400 is set to a fixed potential of the source line SL. Therefore, the decrease in potential applied to the gate of the transistor 400 and the first electrode of the capacitor 300 can be suppressed without being affected by the decrease in potential of the write word line WWL when holding charge. is there.

トランジスタ100のオフ電流は極めて小さいことから、トランジスタ400のゲートの電荷は長時間にわたって保持される。 Since the off-state current of the transistor 100 is extremely small, the charge of the gate of the transistor 400 is held for a long time.

次に、情報の読み出しについて説明する。ソース線SLに所定の電位(定電位)を与えた状態で、読み出しワード線RWLに適切な電位(読み出し電位)を与えると、トランジスタ400のゲートに保持された電荷量に応じて、トランジスタ400のソースまたはドレインの抵抗は異なる値となる。一般に、トランジスタ400をpチャネル型とすると、トランジスタ400のゲートにQが与えられている場合のトランジスタ400の見かけのしきい値VthHは、トランジスタ400のゲートにQが与えられている場合のトランジスタ400の見かけのしきい値VthLより低くなるためである。ここで、見かけのしきい値とは、トランジスタ400をオン状態とするために必要な読み出しワード線RWLの電位とする。したがって、読み出しワード線RWLの電位をVthHとVthLの間の電位V0とすることにより、情報の書き込み時にトランジスタ400のゲートに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいてトランジスタ400のゲートにQが与えられた場合には、読み出しワード線RWLの電位がV0(<VthL)となれば、トランジスタ400はオフ状態となる。一方、書き込みにおいてトランジスタ400のゲートにQが与えられた場合には、読み出しワード線RWLの電位がV0(>VthH)となり、トランジスタ400はオン状態となる。このように、トランジスタ400の抵抗状態を検出することで、保持されている情報を読み出すことができる。 Next, reading of information will be described. When an appropriate potential (read potential) is applied to the read word line RWL in a state where a predetermined potential (constant potential) is applied to the source line SL, the transistor 400 has a current corresponding to the amount of charge held in the gate of the transistor 400. The resistance of the source or drain is a different value. In general, when the transistor 400 is a p-channel transistor, the apparent threshold value V thH of the transistor 400 when Q H is supplied to the gate of the transistor 400 is when Q L is supplied to the gate of the transistor 400 This is because the transistor 400 becomes lower than the apparent threshold value V thL . Here, the apparent threshold value is a potential of the read word line RWL necessary for turning on the transistor 400. Therefore, by setting the potential of the read word line RWL to the potential V0 between VthH and VthL , the charge given to the gate of the transistor 400 at the time of writing information can be determined. For example, in the case where Q H is supplied to the gate of the transistor 400 in writing, the transistor 400 is turned off when the potential of the read word line RWL becomes V0 (<V thL ). On the other hand, when Q L is applied to the gate of the transistor 400 in writing, the potential of the read word line RWL is V0 (> V thH ), and the transistor 400 is turned on. In this manner, the held information can be read by detecting the resistance state of the transistor 400.

トランジスタ100として、キャリア移動度あるいはオン電流がより高いトランジスタを用いることで、半導体装置1000bにおけるメモリセル1020への情報の書き込みやメモリセル1020からの情報の読み出しをより高速に行うことができる。また、トランジスタ200がトランジスタ100の第1のゲートとして機能する導電体101に接続されることで、トランジスタ100の閾値が制御され、メモリセル1020において長期間の情報の保持が可能となる。例えば、トランジスタ100の閾値をプラス側にシフトすることで、トランジスタ100のゲート電圧が0Vの時のドレイン電流がより低くなり、メモリセル1020において長期間の情報の保持が可能となる。特に、トランジスタ200として、ゲート電圧が0Vの時のドレイン電流がより低いトランジスタを用いることで、導電体101に与えられた電荷を長期にわたって、より低い消費電力にて保持することが可能となる。 By using a transistor with higher carrier mobility or higher on-state current as the transistor 100, information can be written into and read from the memory cell 1020 in the semiconductor device 1000b at higher speed. Further, when the transistor 200 is connected to the conductor 101 functioning as the first gate of the transistor 100, the threshold value of the transistor 100 is controlled, and thus the memory cell 1020 can hold information for a long time. For example, by shifting the threshold value of the transistor 100 to the plus side, the drain current when the gate voltage of the transistor 100 is 0 V becomes lower, and the memory cell 1020 can hold information for a long time. In particular, by using a transistor with a lower drain current when the gate voltage is 0 V as the transistor 200, the charge given to the conductor 101 can be held for a long time with lower power consumption.

図3(C)は、メモリセル1020をマトリクス状に複数配置したメモリセルアレイの一例を示す回路図である。このようなメモリセルアレイは、記憶装置や、記憶装置を有する集積回路として用いることができる。 FIG. 3C is a circuit diagram illustrating an example of a memory cell array in which a plurality of memory cells 1020 are arranged in a matrix. Such a memory cell array can be used as a memory device or an integrated circuit including the memory device.

なお、図3(C)では、一つのトランジスタ200がメモリセルアレイの全てのメモリセルに接続されている例を示しているが、本実施の形態はこれに限定されない。図3(D)に示すようにトランジスタ200をメモリセルアレイの行ごとに設けてもよい。また、図示しないが、トランジスタ200をメモリセルアレイの列ごとに設けても良いし、メモリセルアレイを複数のブロックに分割し、ブロックごとにトランジスタ200を設ける構成としても良い。 Note that FIG. 3C illustrates an example in which one transistor 200 is connected to all the memory cells in the memory cell array; however, this embodiment is not limited thereto. As shown in FIG. 3D, the transistor 200 may be provided for each row of the memory cell array. Although not illustrated, the transistor 200 may be provided for each column of the memory cell array, or the memory cell array may be divided into a plurality of blocks and the transistor 200 may be provided for each block.

<トランジスタ100aの構造例>
図4に、トランジスタ100に適用可能なトランジスタの構造例を示す。トランジスタ100aは、導電体120と、導電体120上の絶縁体123と、絶縁体123上の絶縁体124と、絶縁体124上の絶縁体125と、絶縁体125上の酸化物126と、酸化物126上の酸化物127と、酸化物127上の導電体128aおよび導電体128bと、導電体128a上のバリア129aと、導電体128b上のバリア129bと、酸化物127、バリア129a、およびバリア129b上の酸化物130と、酸化物130上の絶縁体131と、絶縁体131上の導電体132と、導電体132を覆う、絶縁体131上のバリア133と、を有する。
<Structural Example of Transistor 100a>
FIG. 4 illustrates a structural example of a transistor applicable to the transistor 100. The transistor 100a includes a conductor 120, an insulator 123 over the conductor 120, an insulator 124 over the insulator 123, an insulator 125 over the insulator 124, an oxide 126 over the insulator 125, and an oxide. An oxide 127 on the object 126, a conductor 128a and a conductor 128b on the oxide 127, a barrier 129a on the conductor 128a, a barrier 129b on the conductor 128b, an oxide 127, a barrier 129a, and a barrier The oxide 130 over 129b, the insulator 131 over the oxide 130, the conductor 132 over the insulator 131, and the barrier 133 over the insulator 131 covering the conductor 132 are included.

導電体120は、第1のゲート電極として機能する。導電体120は複数の導電体を積層した構造となっており、本実施の形態では、導電体120a、導電体120b、および導電体120cより構成されている。導電体120は、絶縁体121および絶縁体122に埋め込まれるように設けられている。 The conductor 120 functions as a first gate electrode. The conductor 120 has a structure in which a plurality of conductors are stacked. In this embodiment, the conductor 120 includes a conductor 120a, a conductor 120b, and a conductor 120c. The conductor 120 is provided so as to be embedded in the insulator 121 and the insulator 122.

ここで、導電体120aは、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する(不純物が透過しにくい)導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましく、単層または積層とすればよい。これにより、絶縁体121より下層から水素、水などの不純物が導電体120を通じて上層に拡散するのを抑制することができる。なお、導電体120aは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(NO、NO、NOなど)、銅原子などの不純物または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子など)の少なくとも一が透過しにくいことが好ましい。また、以下において、不純物が透過しにくい導電性材料について記載する場合も同様である。導電体120aが酸素の透過を抑制する機能を持つことにより、導電体120bや導電体120cが酸化して導電率が低下することを防ぐことができる。 Here, the conductor 120a is preferably formed using a conductive material having a function of suppressing permeation of impurities such as water or hydrogen (impurity is difficult to permeate). For example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide, or the like is preferably used, and a single layer or a stacked layer may be used. Thus, impurities such as hydrogen and water from the lower layer than the insulator 121 can be prevented from diffusing into the upper layer through the conductor 120. Note that the conductor 120a includes an impurity such as a hydrogen atom, a hydrogen molecule, a water molecule, a nitrogen atom, a nitrogen molecule, a nitrogen oxide molecule (N 2 O, NO, NO 2 ), a copper atom, or oxygen (for example, an oxygen atom) , Oxygen molecules, etc.) are preferably difficult to permeate. The same applies to the case where a conductive material that does not easily transmit impurities is described below. When the conductor 120a has a function of suppressing the permeation of oxygen, the conductor 120b and the conductor 120c can be prevented from being oxidized to lower the conductivity.

また、導電体120bは、チタン、窒化チタンなどの導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体120cは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。 The conductor 120b is preferably formed using a conductive material such as titanium or titanium nitride. The conductor 120c is preferably formed using a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component.

絶縁体121は、下層から水または水素などの不純物がトランジスタ100aに混入するのを防ぐバリア絶縁膜として機能できる。絶縁体121は、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する(不純物が透過しにくい)絶縁性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。これにより、水素、水などの不純物が絶縁体121より上層に拡散するのを抑制することができる。なお、絶縁体121は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(NO、NO、NOなど)、銅原子などの不純物の少なくとも一が透過しにくいことが好ましい。また、以下において、不純物が透過しにくい絶縁性材料について記載する場合も同様である。 The insulator 121 can function as a barrier insulating film that prevents impurities such as water or hydrogen from entering the transistor 100a from below. The insulator 121 is preferably formed using an insulating material having a function of suppressing the permeation of impurities such as water or hydrogen (impermeability of impurities), for example, aluminum oxide or the like. Thereby, impurities such as hydrogen and water can be prevented from diffusing into the upper layer than the insulator 121. Note that the insulator 121 is difficult to transmit at least one of impurities such as a hydrogen atom, a hydrogen molecule, a water molecule, a nitrogen atom, a nitrogen molecule, a nitric oxide molecule (N 2 O, NO, NO 2, and the like) and a copper atom. Is preferred. The same applies to the case where an insulating material which does not easily transmit impurities is described below.

また、絶縁体121は、酸素(例えば、酸素原子または酸素分子など)が透過しにくい絶縁性材料を用いることが好ましい。これにより、絶縁体125などに含まれる酸素が下方拡散するのを抑制することができる。 The insulator 121 is preferably formed using an insulating material which does not easily transmit oxygen (for example, oxygen atoms or oxygen molecules). Thus, downward diffusion of oxygen contained in the insulator 125 and the like can be suppressed.

また、絶縁体124は、水または水素などの不純物、および酸素が透過しにくい絶縁性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体124より下層から水素、水などの不純物が絶縁体124より上層に拡散するのを抑制することができる。さらに、絶縁体125などに含まれる酸素が下方拡散するのを抑制することができる。 The insulator 124 is preferably formed using an insulating material that does not easily transmit impurities such as water or hydrogen and oxygen. For example, aluminum oxide or hafnium oxide is preferably used. Thus, impurities such as hydrogen and water from a lower layer than the insulator 124 can be prevented from diffusing from the insulator 124 to an upper layer. Further, downward diffusion of oxygen contained in the insulator 125 or the like can be suppressed.

また、絶縁体125中の水、水素または窒素酸化物などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。例えば、絶縁体125の水素の脱離量は、昇温脱離ガス分析法(TDS(Thermal Desorption Spectroscopy))において、50℃から500℃の範囲において、水素分子に換算した脱離量が、絶縁体125の面積当たりに換算して、2×1015molecules/cm以下、好ましくは1×1015molecules/cm以下、より好ましくは5×1014molecules/cm以下であればよい。また、絶縁体125は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。 In addition, the concentration of impurities such as water, hydrogen, or nitrogen oxide in the insulator 125 is preferably reduced. For example, the amount of hydrogen desorbed from the insulator 125 is determined by the temperature desorption gas analysis (TDS (Thermal Desorption Spectroscopy)) in the range of 50 ° C. to 500 ° C. It may be 2 × 10 15 molecules / cm 2 or less, preferably 1 × 10 15 molecules / cm 2 or less, more preferably 5 × 10 14 molecules / cm 2 or less in terms of the area of the body 125. The insulator 125 is preferably formed using an insulator from which oxygen is released by heating.

絶縁体123、絶縁体124、および絶縁体125は、第1のゲート絶縁膜として機能でき、絶縁体131は、第2のゲート絶縁膜として機能できる。なお、トランジスタ100aでは、絶縁体123、絶縁体124、および絶縁体125を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、絶縁体123、絶縁体124、および絶縁体125のうちいずれか2層を積層した構造にしてもよいし、いずれか1層を用いる構造にしてもよい。 The insulator 123, the insulator 124, and the insulator 125 can function as a first gate insulating film, and the insulator 131 can function as a second gate insulating film. Note that although the transistor 100a illustrates a structure in which the insulator 123, the insulator 124, and the insulator 125 are stacked, the present invention is not limited thereto. For example, any two layers of the insulator 123, the insulator 124, and the insulator 125 may be stacked, or any one of the layers may be used.

酸化物126、酸化物127、および酸化物130は、酸化物半導体として機能する金属酸化物(以下、酸化物半導体ともいう)を用いることが好ましい。金属酸化物としては、エネルギーギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上のものを用いることが好ましい。このように、エネルギーギャップの広い金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。 As the oxide 126, the oxide 127, and the oxide 130, a metal oxide that functions as an oxide semiconductor (hereinafter also referred to as an oxide semiconductor) is preferably used. As the metal oxide, it is preferable to use one having an energy gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more. In this manner, off-state current of a transistor can be reduced by using a metal oxide having a wide energy gap.

酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置が提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。 Since a transistor including an oxide semiconductor has extremely low leakage current in a non-conduction state, a semiconductor device with low power consumption can be provided. An oxide semiconductor can be formed by a sputtering method or the like, and thus can be used for a transistor included in a highly integrated semiconductor device.

酸化物半導体は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。 The oxide semiconductor preferably contains at least indium or zinc. In particular, it is preferable to contain indium and zinc. In addition to these, it is preferable that aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like is contained. Further, one kind or plural kinds selected from boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, or the like may be included.

ここでは、酸化物半導体が、インジウム、元素Mおよび亜鉛を有するIn−M−Zn酸化物である場合を考える。なお、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Mに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。 Here, a case where the oxide semiconductor is an In-M-Zn oxide containing indium, the element M, and zinc is considered. The element M is aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like. Other elements applicable to the element M include boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, and magnesium. However, the element M may be a combination of a plurality of the aforementioned elements.

なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物(metal oxide)と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物(metal oxynitride)と呼称してもよい。 Note that in this specification and the like, metal oxides containing nitrogen may be collectively referred to as metal oxides. Further, a metal oxide containing nitrogen may be referred to as a metal oxynitride.

ここで、酸化物126に用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Mの原子数比が、酸化物127に用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Mの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物126に用いる金属酸化物において、Inに対する元素Mの原子数比が、酸化物127に用いる金属酸化物における、Inに対する元素Mの原子数比より大きいことが好ましい。 Here, in the metal oxide used for the oxide 126, the atomic ratio of the element M in the constituent element is preferably larger than the atomic ratio of the element M in the constituent element in the metal oxide used for the oxide 127. . In the metal oxide used for the oxide 126, the atomic ratio of the element M to In is preferably larger than the atomic ratio of the element M to In in the metal oxide used for the oxide 127.

酸化物130として酸化物126に用いることができる金属酸化物を用いる場合、酸化物130の伝導帯下端のエネルギーが、酸化物127の伝導帯下端のエネルギーが低い領域における、伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物130の電子親和力が、酸化物127の伝導帯下端のエネルギーが低い領域における電子親和力より小さいことが好ましい。 When a metal oxide that can be used for the oxide 126 is used as the oxide 130, the energy at the lower end of the conduction band of the oxide 130 is lower than that at the lower end of the conduction band of the oxide 127. It is preferable to be high. In other words, the electron affinity of the oxide 130 is preferably smaller than the electron affinity in a region where the energy at the lower end of the conduction band of the oxide 127 is low.

ここで、酸化物126、酸化物127及び酸化物130において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物126と酸化物127との界面、及び酸化物127と酸化物130との界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。 Here, in the oxide 126, the oxide 127, and the oxide 130, the energy level at the lower end of the conduction band changes gently. In other words, it can be said that it is continuously changed or continuously joined. In order to achieve this, the defect state density of the mixed layer formed at the interface between the oxide 126 and the oxide 127 and the interface between the oxide 127 and the oxide 130 is preferably lowered.

具体的には、酸化物126と酸化物127、酸化物127と酸化物130が、酸素以外に共通の元素を有する(主成分とする)ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物127がIn−Ga−Zn酸化物の場合、酸化物126、酸化物130として、In−Ga−Zn酸化物、Ga−Zn酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。 Specifically, the oxide 126 and the oxide 127 and the oxide 127 and the oxide 130 have a common element other than oxygen (main component), so that a mixed layer with a low density of defect states is formed. be able to. For example, in the case where the oxide 127 is an In—Ga—Zn oxide, an In—Ga—Zn oxide, a Ga—Zn oxide, a gallium oxide, or the like may be used as the oxide 126 and the oxide 130.

このとき、キャリアの主たる経路は酸化物127に形成されるナローギャップ部分となる。酸化物126と酸化物127との界面、および酸化物127と酸化物130との界面における欠陥準位密度を低くすることができるため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、高いオン電流が得られる。 At this time, the main path of carriers is a narrow gap portion formed in the oxide 127. Since the defect level density at the interface between the oxide 126 and the oxide 127 and the interface between the oxide 127 and the oxide 130 can be reduced, the influence on carrier conduction due to interface scattering is small, and a high on-state current is obtained. can get.

また、酸化物130として酸化物127に用いることができる金属酸化物を用いることもできる。 Alternatively, a metal oxide that can be used for the oxide 127 can be used as the oxide 130.

例えば、酸化物126、酸化物127、および酸化物130をいずれもIn−Ga−Zn酸化物とする場合、酸化物126に含まれるIn、Ga、Znの組成をIn:Ga:Zn=1:3:4、またはIn:Ga:Zn=1:3:2とすることができる。また、酸化物127に含まれるIn、Ga、Znの組成をIn:Ga:Zn=4:2:3、またはIn:Ga:Zn=1:1:1とすることができる。また、酸化物130に含まれるIn、Ga、Znの組成をIn:Ga:Zn=1:3:2、In:Ga:Zn=4:2:3、In:Ga:Zn=1:1:1、またはIn:Ga:Zn=1:3:4とすることができる。 For example, in the case where the oxide 126, the oxide 127, and the oxide 130 are all In—Ga—Zn oxide, the composition of In, Ga, and Zn contained in the oxide 126 is In: Ga: Zn = 1: 3: 4 or In: Ga: Zn = 1: 3: 2. Further, the composition of In, Ga, and Zn contained in the oxide 127 can be In: Ga: Zn = 4: 2: 3 or In: Ga: Zn = 1: 1: 1. The composition of In, Ga, and Zn contained in the oxide 130 is In: Ga: Zn = 1: 3: 2, In: Ga: Zn = 4: 2: 3, and In: Ga: Zn = 1: 1. 1 or In: Ga: Zn = 1: 3: 4.

また、酸化物126の膜厚は、3nm以上50nm以下、好ましくは3nm以上20nm以下、より好ましくは3nm以上10nm以下とすることができる。また、酸化物127の膜厚は、10nm以上50nm以下、好ましくは10nm以上25nm以下とすることができる。また、酸化物130の膜厚は、3nm以上20nm以下、好ましくは3nm以上10nm以下とすることができる。 The thickness of the oxide 126 can be 3 nm to 50 nm, preferably 3 nm to 20 nm, more preferably 3 nm to 10 nm. The thickness of the oxide 127 can be greater than or equal to 10 nm and less than or equal to 50 nm, preferably greater than or equal to 10 nm and less than or equal to 25 nm. The thickness of the oxide 130 can be 3 nm to 20 nm, preferably 3 nm to 10 nm.

導電体128aおよび導電体128bは、ソース電極あるいはドレイン電極として機能する。導電体128aおよび導電体128bとして、タングステン、チタン、タンタルなどを主成分とする導電性材料を用いることが好ましく、タングステン、窒化チタン、窒化タンタルなどの導電性材料を用いることが好ましい。 The conductor 128a and the conductor 128b function as a source electrode or a drain electrode. As the conductor 128a and the conductor 128b, a conductive material mainly containing tungsten, titanium, tantalum, or the like is preferably used, and a conductive material such as tungsten, titanium nitride, or tantalum nitride is preferably used.

バリア129aおよびバリア129bは、それぞれ導電体128aおよび導電体128bを覆うように設けられる。バリア129aおよびバリア129bは、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法を用いて成膜することが好ましい。これにより、バリア129aおよびバリア129bの膜厚を1nm以上20nm以下、好ましくは1nm以上10nm以下で成膜することができる。なお、ALD法で用いるプリカーサには炭素などの不純物を含むものが多い。このため、バリア129aおよびバリア129bは、炭素などの不純物を含む場合がある。例えば、バリア129aおよびバリア129bと絶縁体121を酸化アルミニウムで成膜しても、バリア129aおよびバリア129bに含まれる炭素などの不純物が絶縁体121より多い場合がある。なお、不純物の定量は、X線光電子分光法(XPS:X−ray Photoelectron Spectroscopy)を用いて行うことができる。 The barrier 129a and the barrier 129b are provided so as to cover the conductor 128a and the conductor 128b, respectively. The barrier 129a and the barrier 129b are preferably formed using an atomic layer deposition (ALD) method. Thus, the barrier 129a and the barrier 129b can be formed with a thickness of 1 nm to 20 nm, preferably 1 nm to 10 nm. Many precursors used in the ALD method contain impurities such as carbon. Therefore, the barrier 129a and the barrier 129b may contain impurities such as carbon. For example, even when the barrier 129a and the barrier 129b and the insulator 121 are formed using aluminum oxide, the barrier 129a and the barrier 129b may contain more impurities such as carbon than the insulator 121. Note that the quantification of impurities can be performed using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy).

また、バリア129aおよびバリア129bは、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、導電体128aおよび導電体128bの酸化を抑制することができる。 The barrier 129a and the barrier 129b are preferably formed using an insulating material having a function of suppressing permeation of impurities such as water or hydrogen and oxygen, for example, aluminum oxide or hafnium oxide. Thereby, oxidation of the conductor 128a and the conductor 128b can be suppressed.

絶縁体131は、酸化物130の上面に接して配置されることが好ましい。絶縁体131は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。このような絶縁体131を酸化物130の上面に接して設けることにより、酸化物130を介して酸化物127に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体125と同様に、絶縁体131中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体131の膜厚は、1nm以上20nm以下、好ましくは1nm以上5nm以下とするのが好ましい。 The insulator 131 is preferably disposed in contact with the upper surface of the oxide 130. The insulator 131 is preferably formed using an insulator from which oxygen is released by heating. By providing such an insulator 131 in contact with the upper surface of the oxide 130, oxygen can be effectively supplied to the oxide 127 through the oxide 130. Similarly to the insulator 125, it is preferable that the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 131 be reduced. The thickness of the insulator 131 is 1 nm to 20 nm, preferably 1 nm to 5 nm.

絶縁体131は酸素を含むことが好ましい。例えば、昇温脱離ガス分光法分析(TDS分析)にて、100℃以上700℃以下または100℃以上500℃以下の表面温度の範囲で、酸素分子の脱離量を絶縁体131の面積当たりに換算して、1×1014molecules/cm以上、好ましくは2×1014molecules/cm以上、より好ましくは4×1014molecules/cm以上であればよい。 The insulator 131 preferably contains oxygen. For example, in temperature-programmed desorption gas spectroscopy analysis (TDS analysis), the amount of desorbed oxygen molecules per area of the insulator 131 is in the range of a surface temperature of 100 ° C. to 700 ° C. or 100 ° C. to 500 ° C. 1 × 10 14 molecules / cm 2 or more, preferably 2 × 10 14 molecules / cm 2 or more, more preferably 4 × 10 14 molecules / cm 2 or more.

導電体132は、第2のゲート電極として機能する。導電体132は複数の導電体を積層した構造となっており、本実施の形態では、導電体132a、導電体132b、および導電体132cより構成されている。導電体132aとして、導電性酸化物を用いることが好ましい。例えば、酸化物126、酸化物127、または酸化物130として用いることができる金属酸化物を用いることができる。特に、In−Ga−Zn系酸化物のうち、導電性が高い、金属の原子数比が[In]:[Ga]:[Zn]=4:2:3から4.1、およびその近傍値のものを用いることが好ましい。このような導電体132aを設けることで、導電体132bへの酸素の透過を抑制し、酸化によって導電体132bの電気抵抗値が増加することを防ぐことができる。 The conductor 132 functions as a second gate electrode. The conductor 132 has a structure in which a plurality of conductors are stacked. In this embodiment, the conductor 132 includes a conductor 132a, a conductor 132b, and a conductor 132c. A conductive oxide is preferably used as the conductor 132a. For example, a metal oxide which can be used as the oxide 126, the oxide 127, or the oxide 130 can be used. In particular, among In—Ga—Zn-based oxides, the metal atomic ratio is high from [In]: [Ga]: [Zn] = 4: 2: 3 to 4.1, and the vicinity thereof. It is preferable to use those. By providing such a conductor 132a, permeation of oxygen to the conductor 132b can be suppressed and an increase in the electrical resistance value of the conductor 132b due to oxidation can be prevented.

また、このような導電性酸化物を、スパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁体131に酸素を添加し、酸化物127に酸素を供給することが可能となる。これにより、酸化物127の酸素欠損を低減することができる。 Further, by forming such a conductive oxide by a sputtering method, oxygen can be added to the insulator 131 and oxygen can be supplied to the oxide 127. Accordingly, oxygen vacancies in the oxide 127 can be reduced.

導電体132bとして、導電体132aに窒素などの不純物を添加して導電体132aの導電性を向上できる導電体を用いてもよい。例えば導電体132bは、窒化チタンなどを用いることが好ましい。また、導電体132cは、例えばタングステンなどの金属を用いることができる。導電体132bとして窒化チタンなどの金属窒化物を用い、その上に導電体132cとしてタングステンなどの金属を積層した構造とすることができる。 As the conductor 132b, a conductor that can improve the conductivity of the conductor 132a by adding an impurity such as nitrogen to the conductor 132a may be used. For example, the conductor 132b is preferably formed using titanium nitride or the like. For the conductor 132c, a metal such as tungsten can be used, for example. A metal nitride such as titanium nitride can be used as the conductor 132b, and a metal such as tungsten can be stacked as the conductor 132c.

ここで、第2のゲート電極の機能を有する導電体132が、絶縁体131および酸化物130を介して、酸化物127の上面及びチャネル幅方向の側面を覆うように設けられる。従って、第2のゲート電極としての機能を有する導電体132の電界によって、酸化物127の上面及びチャネル幅方向の側面を電気的に取り囲むことができる。導電体132の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(s−channel)構造とよぶ。そのため、酸化物127上面及びチャネル幅方向の側面にチャネルを形成することができるので、ソース−ドレイン間に大電流を流すことができ、導通時の電流(オン電流)を大きくすることができる。また、酸化物127の上面及びチャネル幅方向の側面が、導電体132の電界によって取り囲まれていることから、非導通時のリーク電流(オフ電流)を小さくすることができる。 Here, the conductor 132 having the function of the second gate electrode is provided so as to cover the top surface and the side surface in the channel width direction of the oxide 127 with the insulator 131 and the oxide 130 interposed therebetween. Therefore, the upper surface of the oxide 127 and the side surface in the channel width direction can be electrically surrounded by the electric field of the conductor 132 functioning as the second gate electrode. A structure of a transistor that electrically surrounds a channel formation region by an electric field of the conductor 132 is referred to as a surrounded channel (s-channel) structure. Therefore, since a channel can be formed on the top surface of the oxide 127 and the side surface in the channel width direction, a large current can flow between the source and the drain, and a current during conduction (on-current) can be increased. In addition, since the upper surface of the oxide 127 and the side surface in the channel width direction are surrounded by the electric field of the conductor 132, leakage current (off-state current) at the time of non-conduction can be reduced.

バリア133は、導電体132を覆うように設けられる。バリア133は、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法を用いて成膜することが好ましい。これにより、バリア133の膜厚を1nm以上20nm以下、好ましくは1nm以上10nm以下で成膜することができる。なお、ALD法で用いるプリカーサには炭素などの不純物を含むものが多い。このため、バリア133は、炭素などの不純物を含む場合がある。例えば、バリア133と絶縁体121を酸化アルミニウムで成膜しても、バリア133に含まれる炭素などの不純物が絶縁体121より多い場合がある。なお、不純物の定量は、X線光電子分光法(XPS:X−ray Photoelectron Spectroscopy)を用いて行うことができる。 The barrier 133 is provided so as to cover the conductor 132. The barrier 133 is preferably formed using an atomic layer deposition (ALD) method. Thus, the barrier 133 can be formed with a thickness of 1 nm to 20 nm, preferably 1 nm to 10 nm. Many precursors used in the ALD method contain impurities such as carbon. For this reason, the barrier 133 may contain impurities such as carbon. For example, even when the barrier 133 and the insulator 121 are formed using aluminum oxide, the barrier 133 may include more impurities such as carbon than the insulator 121. Note that the quantification of impurities can be performed using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy).

また、バリア133は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体131中の酸素が外部に拡散することを防ぐことができる。また、導電体132の酸化を抑制することができる。 The barrier 133 is preferably formed using an insulating material having a function of suppressing permeation of impurities such as water or hydrogen and oxygen, for example, aluminum oxide or hafnium oxide. Thereby, oxygen in the insulator 131 can be prevented from diffusing outside. Further, oxidation of the conductor 132 can be suppressed.

トランジスタ100aを覆うように絶縁体134を設けることが好ましい。また、絶縁体134は、絶縁体125などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。 An insulator 134 is preferably provided so as to cover the transistor 100a. The insulator 134 preferably has a reduced concentration of impurities such as water or hydrogen in the film, like the insulator 125 and the like.

さらに、絶縁体134の上に絶縁体135が設けられていることが好ましい。絶縁体135は、上層から水または水素などの不純物がトランジスタなどに混入するのを防ぐバリア絶縁膜として機能できる。絶縁体135は、絶縁体121と同様に、水、水素などの不純物、および酸素が透過しにくい絶縁性材料、例えば酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。 Further, an insulator 135 is preferably provided over the insulator 134. The insulator 135 can function as a barrier insulating film that prevents impurities such as water or hydrogen from entering the transistor or the like from an upper layer. As in the case of the insulator 121, the insulator 135 is preferably formed using an insulating material that does not easily transmit impurities such as water and hydrogen and oxygen, such as aluminum oxide.

また、絶縁体135の上または下に積層して、バリア129a、バリア129b、あるいはバリア133と同様の、ALD法を用いて成膜された酸化物絶縁体を設けてもよい。 Alternatively, an oxide insulator formed using an ALD method, which is similar to the barrier 129a, the barrier 129b, or the barrier 133, may be provided over or below the insulator 135.

<トランジスタ200aの構造例>
図5(A)に、トランジスタ200に適用可能なトランジスタ200aの構造例を示す。トランジスタ200aは、トランジスタ100aを覆う絶縁体135上の絶縁体221上に設けられる。トランジスタ200aは、絶縁体221上の酸化物222と、酸化物222と電気的に接続するように設けられる導電体223および導電体224と、酸化物222、導電体223、および導電体224を覆うように絶縁体225および絶縁体226と、絶縁体226上の導電体227を有する。また、トランジスタ200aは、絶縁体228、絶縁体229、および絶縁体230に覆われる。
<Structural Example of Transistor 200a>
FIG. 5A illustrates a structural example of the transistor 200a applicable to the transistor 200. The transistor 200a is provided over the insulator 221 over the insulator 135 that covers the transistor 100a. The transistor 200a covers the oxide 222 over the insulator 221, the conductors 223 and 224 provided so as to be electrically connected to the oxide 222, and the oxide 222, the conductor 223, and the conductor 224. Thus, the insulator 225, the insulator 226, and the conductor 227 over the insulator 226 are provided. The transistor 200a is covered with the insulator 228, the insulator 229, and the insulator 230.

酸化物222は、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましく、酸化物126、酸化物127、および酸化物130で用いることができる金属酸化物を用いることができる。例えば、酸化物222を、酸化物126、酸化物127、および酸化物130のいずれか一つと同じ材料から形成する。この場合、酸化物222の膜厚は、トランジスタ200aに要求される特性に合わせて適宜調整すればよい。トランジスタ200として、ゲート電圧が0Vの時のドレイン電流がより低いトランジスタが求められる。トランジスタ100aにおける酸化物127がIn、Ga、Znを含む酸化物で、酸化物222がIn、Ga、Znを含む酸化物の場合、酸化物222に含まれるInの比率は、酸化物127に含まれるInの比率より低いことが好ましい。トランジスタ100a、およびトランジスタ200aにこのような酸化物を用いることで、トランジスタ100aをキャリア移動度あるいはオン電流がより高いトランジスタとし、トランジスタ200aをゲート電圧が0Vの時のドレイン電流がより低いトランジスタとすることができる。なお、後述するトランジスタ200bにおいてもトランジスタ200aと同様の酸化物を用いることが好ましい。また、酸化物222の膜厚は、トランジスタ100aにおける酸化物130より厚くしてもよい。 As the oxide 222, a metal oxide that functions as an oxide semiconductor is preferably used, and a metal oxide that can be used as the oxide 126, the oxide 127, and the oxide 130 can be used. For example, the oxide 222 is formed from the same material as any one of the oxide 126, the oxide 127, and the oxide 130. In this case, the thickness of the oxide 222 may be adjusted as appropriate in accordance with characteristics required for the transistor 200a. The transistor 200 is required to have a lower drain current when the gate voltage is 0V. In the case where the oxide 127 in the transistor 100a is an oxide containing In, Ga, and Zn and the oxide 222 is an oxide containing In, Ga, and Zn, the ratio of In contained in the oxide 222 is included in the oxide 127. It is preferable that it is lower than the ratio of In. By using such an oxide for the transistor 100a and the transistor 200a, the transistor 100a is a transistor with higher carrier mobility or on-current, and the transistor 200a is a transistor with lower drain current when the gate voltage is 0V. be able to. Note that an oxide similar to that of the transistor 200a is preferably used for the transistor 200b described later. Further, the oxide 222 may be thicker than the oxide 130 in the transistor 100a.

例えば、酸化物222をIn−Ga−Zn酸化物とする場合、酸化物222に含まれるIn、Ga、Znの組成をIn:Ga:Zn=1:3:2、In:Ga:Zn=4:2:3、In:Ga:Zn=1:1:1、またはIn:Ga:Zn=1:3:4とすることができる。 For example, in the case where the oxide 222 is an In—Ga—Zn oxide, the composition of In, Ga, and Zn contained in the oxide 222 is In: Ga: Zn = 1: 3: 2, In: Ga: Zn = 4. : 2: 3, In: Ga: Zn = 1: 1: 1, or In: Ga: Zn = 1: 3: 4.

酸化物222の膜厚は、3nm以上40nm以下、好ましくは3nm以上15nm以下とすることができる。また、酸化物222の膜厚は、トランジスタ100aの酸化物130の膜厚より厚くすることができる。例えば、酸化物130の膜厚が3nmのとき、酸化物222の膜厚を4nm以上15nm以下、例えば5nmとしてもよい。また、酸化物130の膜厚が5nmのとき、酸化物222の膜厚を6nm以上15nm以下、例えば10nmとしてもよい。酸化物222の膜厚は、トランジスタ200aや後述するトランジスタ200bの電気特性、すなわちトランジスタ200の電気特性、あるいは酸化物222の組成に応じて決めればよい。トランジスタ200に印加されるゲート電圧が0Vの時のドレイン電流を小さくするためには、酸化物222の膜厚を小さくすればよく、3nm以上10nm未満、好ましくは3nm以上5nm以下とすればよい。一方、酸化物222の材料によっては、酸化物222の膜厚が大きくても、トランジスタ200に印加されるゲート電圧が0Vの時のドレイン電流を小さくすることができる。この場合、酸化物222の膜厚を10nm以上40nm以下、好ましくは10nm以上15nm以下とすればよい。 The thickness of the oxide 222 can be greater than or equal to 3 nm and less than or equal to 40 nm, preferably greater than or equal to 3 nm and less than or equal to 15 nm. Further, the thickness of the oxide 222 can be larger than the thickness of the oxide 130 of the transistor 100a. For example, when the thickness of the oxide 130 is 3 nm, the thickness of the oxide 222 may be 4 nm to 15 nm, for example, 5 nm. When the thickness of the oxide 130 is 5 nm, the thickness of the oxide 222 may be 6 nm to 15 nm, for example, 10 nm. The thickness of the oxide 222 may be determined in accordance with the electrical characteristics of the transistor 200a and the transistor 200b described later, that is, the electrical characteristics of the transistor 200 or the composition of the oxide 222. In order to reduce the drain current when the gate voltage applied to the transistor 200 is 0 V, the thickness of the oxide 222 may be reduced, and may be greater than or equal to 3 nm and less than 10 nm, preferably greater than or equal to 3 nm and less than or equal to 5 nm. On the other hand, depending on the material of the oxide 222, the drain current when the gate voltage applied to the transistor 200 is 0 V can be reduced even when the thickness of the oxide 222 is large. In this case, the thickness of the oxide 222 may be greater than or equal to 10 nm and less than or equal to 40 nm, preferably greater than or equal to 10 nm and less than or equal to 15 nm.

導電体223および導電体224の一方はソース電極として機能し、導電体223および導電体224の他方はドレイン電極として機能する。導電体223および導電体224は、タングステン、チタン、タンタル、アルミニウムなどを主成分とする導電性材料を用いることが好ましく、タングステン、窒化チタン、窒化タンタルなどの導電性材料を用いることが好ましい。 One of the conductor 223 and the conductor 224 functions as a source electrode, and the other of the conductor 223 and the conductor 224 functions as a drain electrode. For the conductors 223 and 224, a conductive material containing tungsten, titanium, tantalum, aluminum, or the like as a main component is preferably used, and a conductive material such as tungsten, titanium nitride, or tantalum nitride is preferably used.

絶縁体225および絶縁体226は、ゲート絶縁膜として機能し、少なくとも一方に、ALD法にて形成される絶縁体を設けることが好ましい。ALD法にて形成される絶縁体として、例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。例えば、絶縁体225としてALD法にて形成された酸化アルミニウムを用い、絶縁体226として、CVD法により形成された酸化窒化シリコン、酸化シリコンなどを用いればよい。 The insulator 225 and the insulator 226 function as gate insulating films, and at least one of them is preferably provided with an insulator formed by an ALD method. As the insulator formed by the ALD method, for example, aluminum oxide or hafnium oxide is preferably used. For example, aluminum oxide formed by an ALD method may be used as the insulator 225, and silicon oxynitride, silicon oxide, or the like formed by a CVD method may be used as the insulator 226.

導電体227は、ゲート電極として機能する。導電体227は、タングステン、チタン、タンタル、アルミニウムなどを主成分とする導電性材料を用いることが好ましく、タングステン、窒化チタン、窒化タンタルなどの導電性材料を単層あるいは積層して用いることが好ましい。 The conductor 227 functions as a gate electrode. For the conductor 227, a conductive material mainly containing tungsten, titanium, tantalum, aluminum, or the like is preferably used, and a conductive material such as tungsten, titanium nitride, or tantalum nitride is preferably used as a single layer or a stacked layer. .

絶縁体228は、バリア129aやバリア129bと同じ材料を用いることが好ましい。絶縁体228として、ALD法により形成された酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。 The insulator 228 is preferably formed using the same material as the barrier 129a and the barrier 129b. As the insulator 228, aluminum oxide or hafnium oxide formed by an ALD method is preferably used.

絶縁体229は、絶縁体121や絶縁体135と同等の機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましく、酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。絶縁体228と絶縁体229を積層して設けることで、水素や水などの不純物がトランジスタ200あるいはトランジスタ100に混入することを防ぎ、酸素などが絶縁体229より上方に拡散することを防ぐことができる。 For the insulator 229, an insulating material having a function equivalent to that of the insulator 121 or the insulator 135 is preferably used, and aluminum oxide or the like is preferably used. By stacking the insulator 228 and the insulator 229, impurities such as hydrogen and water can be prevented from entering the transistor 200 or the transistor 100, and oxygen and the like can be prevented from diffusing upward from the insulator 229. it can.

<トランジスタ200bの構造例>
図5(B)に、トランジスタ200に適用可能なトランジスタの異なる構造例を示す。トランジスタ200bは、酸化物222と、導電体223および導電体224の積層順がトランジスタ200aと異なる。トランジスタ200bは、導電体223および導電体224を形成した後、導電体223および導電体224の少なくとも一部を覆うように酸化物222を設けることで作製できる。その他、トランジスタ200aと同じ符号の構成要素についてはトランジスタ200aの説明を参照すればよく、詳細な説明は省略する。
<Structural Example of Transistor 200b>
FIG. 5B illustrates an example of a different structure of a transistor that can be used as the transistor 200. The transistor 200b is different from the transistor 200a in the stacking order of the oxide 222, the conductor 223, and the conductor 224. The transistor 200b can be manufactured by forming the conductor 223 and the conductor 224 and then providing the oxide 222 so as to cover at least part of the conductor 223 and the conductor 224. For other components having the same reference numerals as those of the transistor 200a, the description of the transistor 200a may be referred to and detailed description thereof is omitted.

<容量素子300aの構造例>
図6(A)に、容量素子300に適用可能な容量素子300aの構造例を示す。なお、容量素子300は、トランジスタ200と同じ層に、一部共通の構成要素を用いて作製することができる。共通の符号については、トランジスタ200aなどの説明を参照すればよく、詳細な説明は省略する。容量素子300aは、絶縁体221上に導電体310と、導電体310を覆うように設けられた絶縁体225および絶縁体226と、絶縁体226上の導電体311を有する。容量素子300aは絶縁体228、絶縁体229、および絶縁体230に覆われている。
<Structural Example of Capacitance Element 300a>
FIG. 6A illustrates a structure example of a capacitor 300 a that can be used as the capacitor 300. Note that the capacitor 300 can be manufactured in the same layer as the transistor 200 by using some common components. For the common reference numerals, the description of the transistor 200a and the like may be referred to, and detailed description thereof is omitted. The capacitor 300a includes a conductor 310 over the insulator 221, an insulator 225 and an insulator 226 provided so as to cover the conductor 310, and a conductor 311 over the insulator 226. The capacitor 300a is covered with the insulator 228, the insulator 229, and the insulator 230.

導電体310は、導電体223、導電体224等と同じ材料を用いて、同一工程で形成することができる。導電体311は、導電体227等と同じ材料を用いて、同一工程で形成することができる。 The conductor 310 can be formed using the same material as the conductor 223, the conductor 224, and the like in the same step. The conductor 311 can be formed using the same material as the conductor 227 and the like in the same step.

トランジスタ200aなどでゲート絶縁膜として用いられる絶縁体225および絶縁体226は、容量素子300aでは、誘電体として機能する。ここで、導電体311は、絶縁体225および絶縁体226を介して、導電体310の側面も覆うように設けられている。これにより、導電体310の側面の面積分、容量素子300aの容量値が増加するため、好ましい。 The insulator 225 and the insulator 226 which are used as gate insulating films in the transistor 200a and the like function as dielectrics in the capacitor 300a. Here, the conductor 311 is provided so as to cover the side surface of the conductor 310 with the insulator 225 and the insulator 226 interposed therebetween. This is preferable because the capacitance value of the capacitor 300a increases by the area of the side surface of the conductor 310.

<容量素子300bの構造例>
図6(B)に、容量素子300に適用可能な容量素子の異なる構造例を示す。容量素子300bでは、導電体311は導電体310の側面を覆うことなく、導電体310の上面のみに対向するように設けられている。容量素子300bでは、導電体311の下面の面積に応じて容量値が決まる。その他、容量素子300aと同じ符号の構成要素については容量素子300aの説明を参照すればよく、詳細な説明は省略する。
<Structural Example of Capacitance Element 300b>
FIG. 6B illustrates a different structure example of a capacitor that can be used for the capacitor 300. In the capacitor 300 b, the conductor 311 is provided so as to face only the upper surface of the conductor 310 without covering the side surface of the conductor 310. In the capacitor 300b, the capacitance value is determined according to the area of the lower surface of the conductor 311. For other components having the same reference numerals as those of the capacitor 300a, the description of the capacitor 300a may be referred to, and detailed description thereof is omitted.

<トランジスタ400aの構造例>
図7(A)に、トランジスタ400に適用可能なトランジスタの構造例を示す。トランジスタ400aは、基板421に設けられ、導電体422、絶縁体423、基板421の一部からなる半導体領域424、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域425a、および低抵抗領域425bを有する。
<Structural Example of Transistor 400a>
FIG. 7A illustrates an example of a structure of a transistor that can be used as the transistor 400. The transistor 400a includes a conductor 422, an insulator 423, a semiconductor region 424 including a part of the substrate 421, a low resistance region 425a which functions as a source region or a drain region, and a low resistance region 425b. .

トランジスタ400aは、pチャネル型、あるいはnチャネル型のいずれでもよい。 The transistor 400a may be either a p-channel type or an n-channel type.

半導体領域424のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域425a、および低抵抗領域425bなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、Ge(ゲルマニウム)、SiGe(シリコンゲルマニウム)、GaAs(ガリウムヒ素)、GaAlAs(ガリウムアルミニウムヒ素)などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。またはGaAsとGaAlAs等を用いることで、トランジスタ400aをHEMT(High Electron Mobility Transistor)としてもよい。 A region where a channel of the semiconductor region 424 is formed, a region in the vicinity thereof, a low resistance region 425a which serves as a source region or a drain region, a low resistance region 425b, and the like preferably include a semiconductor such as a silicon-based semiconductor. It preferably contains crystalline silicon. Alternatively, a material containing Ge (germanium), SiGe (silicon germanium), GaAs (gallium arsenide), GaAlAs (gallium aluminum arsenide), or the like may be used. A structure using silicon in which effective mass is controlled by applying stress to the crystal lattice and changing the lattice spacing may be employed. Alternatively, the transistor 400a may be a HEMT (High Electron Mobility Transistor) by using GaAs, GaAlAs, or the like.

低抵抗領域425a、および低抵抗領域425bは、半導体領域424に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのn型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含む。 The low-resistance region 425a and the low-resistance region 425b provide an n-type conductivity element such as arsenic or phosphorus, or p-type conductivity such as boron, in addition to the semiconductor material used for the semiconductor region 424. Containing elements.

ゲート電極として機能する導電体422は、ヒ素、リンなどのn型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。 The conductor 422 functioning as a gate electrode includes a semiconductor material such as silicon, a metal material, an alloy containing an element imparting n-type conductivity such as arsenic or phosphorus, or an element imparting p-type conductivity such as boron. A conductive material such as a material or a metal oxide material can be used.

なお、導電体の材料により、仕事関数を定めることで、しきい値電圧を調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。 Note that the threshold voltage can be adjusted by determining the work function depending on the material of the conductor. Specifically, it is preferable to use a material such as titanium nitride or tantalum nitride for the conductor. Further, in order to achieve both conductivity and embeddability, it is preferable to use a metal material such as tungsten or aluminum as a laminate for the conductor, and tungsten is particularly preferable from the viewpoint of heat resistance.

トランジスタ400aを覆って、絶縁体426、絶縁体427、および絶縁体428が順に積層して設けられている。 An insulator 426, an insulator 427, and an insulator 428 are sequentially stacked to cover the transistor 400a.

なお、図7(A)に示すトランジスタ400aは一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。導電体422、および絶縁体423の側面には絶縁体429が設けられていても良い。絶縁体429により、半導体領域424のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域425a、および低抵抗領域425bの幅を制御することができる。また、基板421に複数のトランジスタ400aが設けられる場合、各トランジスタ400aの間には絶縁体430が設けられる。 Note that the transistor 400a illustrated in FIG. 7A is an example, and the present invention is not limited to this structure, and an appropriate transistor may be used depending on a circuit configuration or a driving method. An insulator 429 may be provided on side surfaces of the conductor 422 and the insulator 423. With the insulator 429, the width of the low resistance region 425a and the low resistance region 425b which serve as a region where the channel of the semiconductor region 424 is formed, a region in the vicinity thereof, a source region or a drain region can be controlled. In the case where the plurality of transistors 400a are provided over the substrate 421, the insulator 430 is provided between the transistors 400a.

<トランジスタ400bの構造例>
図7(B)に、トランジスタ400に適用可能なトランジスタの異なる構造例を示す。トランジスタ400bはチャネルが形成される半導体領域431(基板421の一部)が凸形状を有する。また、半導体領域431の側面および上面を、絶縁体432を介して、導電体433が覆うように設けられている。なお、導電体433は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。また、絶縁体432および導電体433は、半導体領域431、低抵抗領域425a、および低抵抗領域425b上に設けられた絶縁体434に埋め込まれるように設けられている。このようなトランジスタ400bは半導体基板の凸部を利用していることからFIN型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、SOI基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。
<Structural Example of Transistor 400b>
FIG. 7B illustrates an example of a different structure of a transistor that can be used as the transistor 400. In the transistor 400b, a semiconductor region 431 (a part of the substrate 421) where a channel is formed has a convex shape. Further, the conductor 433 is provided so as to cover the side surface and the upper surface of the semiconductor region 431 with an insulator 432 interposed therebetween. Note that the conductor 433 may be formed using a material that adjusts a work function. The insulator 432 and the conductor 433 are provided so as to be embedded in the insulator 434 provided over the semiconductor region 431, the low resistance region 425a, and the low resistance region 425b. Such a transistor 400b is also referred to as a FIN-type transistor because it uses a convex portion of a semiconductor substrate. Note that an insulator functioning as a mask for forming the convex portion may be provided in contact with the upper portion of the convex portion. Although the case where a part of the semiconductor substrate is processed to form the convex portion is described here, the SOI substrate may be processed to form a semiconductor film having a convex shape.

<半導体装置1100aの構造例>
図8は、本発明の一形態を示す半導体装置1100aの断面模式図である。半導体装置1100aは、先述した半導体装置1000bのトランジスタ100、トランジスタ200、容量素子300、およびトランジスタ400の代わりにトランジスタ100a、トランジスタ200a、容量素子300a、およびトランジスタ400aを用いたものである。各構成要素については、先の説明を参照すればよく、詳細な説明は省略する。
<Structural Example of Semiconductor Device 1100a>
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device 1100a according to one embodiment of the present invention. The semiconductor device 1100a uses the transistor 100a, the transistor 200a, the capacitor 300a, and the transistor 400a instead of the transistor 100, the transistor 200, the capacitor 300, and the transistor 400 of the semiconductor device 1000b described above. For each component, the above description may be referred to, and detailed description thereof is omitted.

トランジスタ400aのソース、ドレイン、およびゲートには、それぞれ導電体440が接続されている。導電体440は、絶縁体426、絶縁体427に埋め込まれるように設けられている。各導電体440は、導電体440aおよび導電体440bの積層構造からなる。導電体440aは、チタン、窒化チタン、タンタル、窒化タンタルなどの導電性材料からなる単層あるいは積層を用いることが好ましい。導電体440bは、タングステンなどの導電性材料を用いることが好ましい。 A conductor 440 is connected to each of a source, a drain, and a gate of the transistor 400a. The conductor 440 is provided so as to be embedded in the insulator 426 and the insulator 427. Each conductor 440 has a stacked structure of a conductor 440a and a conductor 440b. The conductor 440a is preferably a single layer or a stacked layer formed using a conductive material such as titanium, titanium nitride, tantalum, or tantalum nitride. The conductor 440b is preferably formed using a conductive material such as tungsten.

絶縁体428上に絶縁体441が設けられ、絶縁体428および絶縁体441に埋め込まれるように導電体442が設けられる。導電体442は、導電体440を介して、トランジスタ400aのソース、ドレイン、あるいはゲートと電気的に接続される。導電体442は、導電体442aおよび導電体442bの積層構造からなる。導電体442aは、チタン、窒化チタン、タンタル、窒化タンタルなどの導電性材料からなる単層あるいは積層を用いることが好ましい。導電体442bは、銅、タングステン、アルミニウムなどの導電性材料を用いることが好ましい。 An insulator 441 is provided over the insulator 428, and a conductor 442 is provided so as to be embedded in the insulator 428 and the insulator 441. The conductor 442 is electrically connected to the source, the drain, or the gate of the transistor 400a through the conductor 440. The conductor 442 has a stacked structure of a conductor 442a and a conductor 442b. For the conductor 442a, a single layer or a stack of conductive materials such as titanium, titanium nitride, tantalum, and tantalum nitride is preferably used. The conductor 442b is preferably formed using a conductive material such as copper, tungsten, or aluminum.

絶縁体441、および導電体442上に配線層448が設けられる。配線層448は、絶縁体443、絶縁体444、絶縁体445、導電体446からなる層が複数段積層されたものである。本実施の形態では、配線層448は、4段の層を有しているが、これに限らない。配線層448は、3層以下の層を有していてもよいし、5層以上の層を有していてもよい。 A wiring layer 448 is provided over the insulator 441 and the conductor 442. The wiring layer 448 is formed by stacking a plurality of layers including an insulator 443, an insulator 444, an insulator 445, and a conductor 446. In the present embodiment, the wiring layer 448 has four layers, but is not limited thereto. The wiring layer 448 may have three or less layers, or may have five or more layers.

絶縁体443は、水素や水などの不純物や、銅などの金属成分の拡散を防ぐ機能を有する絶縁体であることが好ましく、窒化シリコンや窒化酸化シリコンを用いることができる。絶縁体444、および絶縁体445は、配線間、あるいは導電体間の寄生容量を防ぐため、誘電率の低い材料で形成されることが好ましい。絶縁体444、および絶縁体445として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、炭素や水素を含む酸化シリコンなどを用いることができる。 The insulator 443 is preferably an insulator having a function of preventing diffusion of impurities such as hydrogen and water and metal components such as copper, and silicon nitride or silicon nitride oxide can be used. The insulator 444 and the insulator 445 are preferably formed using a low dielectric constant material in order to prevent parasitic capacitance between wirings or between conductors. As the insulator 444 and the insulator 445, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon oxide containing carbon or hydrogen, or the like can be used.

導電体446は、絶縁体443、絶縁体444、および絶縁体445に埋め込まれるように設けられている。導電体446は、導電体446aおよび導電体446bの積層構造からなる。導電体446aは、チタン、窒化チタン、タンタル、窒化タンタルなどの導電性材料からなる単層あるいは積層を用いることが好ましい。導電体446bは、銅、タングステン、アルミニウムなどの導電性材料を用いることが好ましい。 The conductor 446 is provided to be embedded in the insulator 443, the insulator 444, and the insulator 445. The conductor 446 has a stacked structure of a conductor 446a and a conductor 446b. The conductor 446a is preferably a single layer or a stacked layer formed using a conductive material such as titanium, titanium nitride, tantalum, or tantalum nitride. The conductor 446b is preferably formed using a conductive material such as copper, tungsten, or aluminum.

配線層448上に絶縁体449および絶縁体450が設けられる。絶縁体449、絶縁体450、絶縁体121、および絶縁体122に埋め込まれるように、導電体451が設けられる。 An insulator 449 and an insulator 450 are provided over the wiring layer 448. A conductor 451 is provided so as to be embedded in the insulator 449, the insulator 450, the insulator 121, and the insulator 122.

絶縁体449は、水素や水などの不純物や、銅などの金属成分の拡散を防ぐ機能を有する絶縁体であることが好ましく、窒化シリコンや窒化酸化シリコンを用いることができる。絶縁体450は、配線間、あるいは導電体間の寄生容量を防ぐため、誘電率の低い材料で形成されることが好ましい。絶縁体450として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、炭素や水素を含む酸化シリコンなどを用いることができる。 The insulator 449 is preferably an insulator having a function of preventing diffusion of impurities such as hydrogen and water and a metal component such as copper, and silicon nitride or silicon nitride oxide can be used. The insulator 450 is preferably formed of a material having a low dielectric constant in order to prevent parasitic capacitance between wirings or between conductors. As the insulator 450, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon oxide containing carbon or hydrogen, or the like can be used.

導電体451は、導電体451a、導電体451b、および導電体451cの積層構造からなり、トランジスタ100aの第1のゲート電極として機能する導電体120a、導電体120b、および導電体120cからなる導電体120と同時に作製することができる。 The conductor 451 has a stacked structure of a conductor 451a, a conductor 451b, and a conductor 451c, and includes a conductor 120a that functions as a first gate electrode of the transistor 100a, a conductor 120b, and a conductor 120c. 120 can be produced simultaneously.

また、絶縁体450上には、トランジスタ100aが設けられる。トランジスタ100a上には、トランジスタ200aおよび容量素子300aが設けられる。トランジスタ200aおよび容量素子300aは、絶縁体221上に形成されており、すなわち、同一の層に形成されている。 Further, the transistor 100a is provided over the insulator 450. A transistor 200a and a capacitor 300a are provided over the transistor 100a. The transistor 200a and the capacitor 300a are formed over the insulator 221, that is, formed in the same layer.

絶縁体123、絶縁体124、絶縁体125、絶縁体134、絶縁体135、および絶縁体221、などに埋め込まれるように導電体453が設けられる。導電体453は、導電体446や、導電体451と同様の構造を有する。 A conductor 453 is provided so as to be embedded in the insulator 123, the insulator 124, the insulator 125, the insulator 134, the insulator 135, the insulator 221, and the like. The conductor 453 has a structure similar to that of the conductor 446 and the conductor 451.

トランジスタ200aのソースおよびドレインの一方は、絶縁体121および絶縁体122に埋め込まれるように形成された導電体452と、導電体453を介して電気的に接続する。導電体452は、トランジスタ100aの第1のゲートとして機能する導電体120と電気的に接続する。あるいは、導電体452は、導電体120が延伸したものである。すなわち、導電体452および導電体453を介して、トランジスタ100aの第1のゲートは、トランジスタ200aのソースおよびドレインの一方と、電気的に接続する。 One of a source and a drain of the transistor 200a is electrically connected to a conductor 452 formed to be embedded in the insulator 121 and the insulator 122 through the conductor 453. The conductor 452 is electrically connected to the conductor 120 functioning as the first gate of the transistor 100a. Alternatively, the conductor 452 is obtained by extending the conductor 120. In other words, the first gate of the transistor 100a is electrically connected to one of the source and the drain of the transistor 200a through the conductor 452 and the conductor 453.

また、トランジスタ100aのソースおよびドレインの一方は、容量素子300aの第1の電極と、導電体453を介して電気的に接続する。さらに、容量素子300aの第1の電極は、トランジスタ400aのゲートと、導電体453、導電体451、配線層448、導電体442、および導電体440を介して電気的に接続する。すなわち、トランジスタ100aのソースおよびドレインの一方と、容量素子300aの第1の電極と、トランジスタ400aのゲートと、はお互いに電気的に接続する。 In addition, one of the source and the drain of the transistor 100a is electrically connected to the first electrode of the capacitor 300a through the conductor 453. Further, the first electrode of the capacitor 300a is electrically connected to the gate of the transistor 400a through the conductor 453, the conductor 451, the wiring layer 448, the conductor 442, and the conductor 440. That is, one of the source and the drain of the transistor 100a, the first electrode of the capacitor 300a, and the gate of the transistor 400a are electrically connected to each other.

絶縁体225、絶縁体226、絶縁体228、絶縁体229、および絶縁体230に埋め込まれるように導電体456が設けられる。導電体456は、それぞれトランジスタ200aのソース、ドレイン、およびゲート、容量素子300aの第2の電極、および絶縁体221上に設けられた導電体454等と電気的に接続する。 A conductor 456 is provided so as to be embedded in the insulator 225, the insulator 226, the insulator 228, the insulator 229, and the insulator 230. The conductor 456 is electrically connected to the source, drain, and gate of the transistor 200a, the second electrode of the capacitor 300a, the conductor 454 provided over the insulator 221, and the like.

絶縁体230および導電体456上に導電体457および導電体458が設けられる。導電体457は、トランジスタ200aのゲートに電気的に接続する導電体456、およびソースおよびドレインの一方に電気的に接続する導電体456と電気的に接続する。すなわち、トランジスタ200aのゲートと、ソースおよびドレインの一方は、導電体456および導電体457を介して、電気的に接続されており、所謂ダイオード接続されている。ダイオード接続されたトランジスタ200aのゲートとソースおよびドレインの一方が、トランジスタ100aの第1のゲートと電気的に接続している。 A conductor 457 and a conductor 458 are provided over the insulator 230 and the conductor 456. The conductor 457 is electrically connected to the conductor 456 electrically connected to the gate of the transistor 200a and the conductor 456 electrically connected to one of the source and the drain. In other words, the gate of the transistor 200a and one of the source and the drain are electrically connected through the conductor 456 and the conductor 457, so-called diode connection. One of the gate, the source, and the drain of the diode-connected transistor 200a is electrically connected to the first gate of the transistor 100a.

絶縁体230、導電体457、および導電体458上に絶縁体459が設けられる。絶縁体459に埋め込まれるように導電体460が設けられる。導電体460は、導電体446や、導電体451と同様の構造を有する。また、導電体460は、導電体458と電気的に接続する。 An insulator 459 is provided over the insulator 230, the conductor 457, and the conductor 458. A conductor 460 is provided so as to be embedded in the insulator 459. The conductor 460 has a structure similar to that of the conductor 446 and the conductor 451. In addition, the conductor 460 is electrically connected to the conductor 458.

導電体460上に導電体461が設けられる。絶縁体459上には、導電体461の一部を覆うように絶縁体462が設けられる。導電体461は、チタンやアルミニウムを主成分とする導電材料を単層あるいは積層で用いることができる。例えば、チタンとアルミニウムとチタンの三層からなる積層構造とすることができる。また、チタンの代わりに窒化チタンを用いてもよい。 A conductor 461 is provided over the conductor 460. An insulator 462 is provided over the insulator 459 so as to cover part of the conductor 461. For the conductor 461, a conductive material containing titanium or aluminum as a main component can be used as a single layer or a stacked layer. For example, a stacked structure including three layers of titanium, aluminum, and titanium can be used. Further, titanium nitride may be used instead of titanium.

<各構成要素について>
以下では、上記に示す半導体装置に用いられる各構成要素について説明する。
<About each component>
Below, each component used for the semiconductor device shown above is demonstrated.

<基板>
半導体装置を形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板(イットリア安定化ジルコニア基板など)、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばSOI(Silicon On Insulator)基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
<Board>
As the substrate for forming the semiconductor device, for example, an insulator substrate, a semiconductor substrate, or a conductor substrate may be used. Examples of the insulator substrate include a glass substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, a stabilized zirconia substrate (such as a yttria stabilized zirconia substrate), and a resin substrate. Examples of the semiconductor substrate include a semiconductor substrate made of silicon or germanium, or a compound semiconductor substrate made of silicon carbide, silicon germanium, gallium arsenide, indium phosphide, zinc oxide, or gallium oxide. Furthermore, there is a semiconductor substrate having an insulator region inside the semiconductor substrate, for example, an SOI (Silicon On Insulator) substrate. Examples of the conductor substrate include a graphite substrate, a metal substrate, an alloy substrate, and a conductive resin substrate. Alternatively, there are a substrate having a metal nitride, a substrate having a metal oxide, and the like. Further, there are a substrate in which a conductor or a semiconductor is provided on an insulator substrate, a substrate in which a conductor or an insulator is provided on a semiconductor substrate, a substrate in which a semiconductor or an insulator is provided on a conductor substrate, and the like. Alternatively, a substrate in which an element is provided may be used. Examples of the element provided on the substrate include a capacitor element, a resistor element, a switch element, a light emitting element, and a memory element.

<絶縁体>
絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
<Insulator>
Examples of the insulator include an insulating oxide, nitride, oxynitride, nitride oxide, metal oxide, metal oxynitride, and metal nitride oxide.

トランジスタを、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。例えば、絶縁体121、絶縁体125、および絶縁体135として、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。 By surrounding the transistor with an insulator having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen, electrical characteristics of the transistor can be stabilized. For example, as the insulator 121, the insulator 125, and the insulator 135, an insulator having a function of suppressing transmission of impurities such as hydrogen and oxygen can be used.

水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。 Examples of the insulator having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen include boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, and zirconium. An insulator containing lanthanum, neodymium, hafnium, or tantalum may be used as a single layer or a stacked layer.

また、例えば、絶縁体121、絶縁体125、および絶縁体135としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いればよい。なお、絶縁体121、絶縁体125、および絶縁体135は、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを有することが好ましい。 For example, the insulator 121, the insulator 125, and the insulator 135 include aluminum oxide, magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide. Metal oxide, silicon nitride oxide, silicon nitride, or the like may be used. Note that the insulator 121, the insulator 125, and the insulator 135 preferably include aluminum oxide, hafnium oxide, or the like.

また、絶縁体228および絶縁体229においても、絶縁体121、絶縁体125、および絶縁体135と同様の絶縁体を用いることができる。 For the insulator 228 and the insulator 229, an insulator similar to the insulator 121, the insulator 125, and the insulator 135 can be used.

絶縁体122、絶縁体123、絶縁体125および絶縁体131としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体122、絶縁体123、絶縁体125および絶縁体131としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは、窒化シリコンを有することが好ましい。 Examples of the insulator 122, the insulator 123, the insulator 125, and the insulator 131 include boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, zirconium, An insulator containing lanthanum, neodymium, hafnium, or tantalum may be used as a single layer or a stacked layer. For example, the insulator 122, the insulator 123, the insulator 125, and the insulator 131 preferably include silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon nitride.

絶縁体123、絶縁体124、絶縁体125、および/または絶縁体131は、比誘電率の高い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体123、絶縁体124、絶縁体125、および/または絶縁体131は、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などを有することが好ましい。または、絶縁体123、絶縁体124、絶縁体125、および/または絶縁体131は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、比誘電率の高い絶縁体と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、比誘電率の高い絶縁体と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。例えば、絶縁体125および絶縁体131において、酸化アルミニウム、酸化ガリウムまたは酸化ハフニウムを酸化物126および酸化物127、または酸化物130と接する構造とすることで、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンに含まれるシリコンが、酸化物126、酸化物127、および酸化物130に混入することを抑制することができる。また、例えば、絶縁体125および絶縁体131において、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを酸化物126および酸化物127、または酸化物130と接する構造とすることで、酸化アルミニウム、酸化ガリウムまたは酸化ハフニウムと、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、の界面にトラップセンターが形成される場合がある。該トラップセンターは、電子を捕獲することでトランジスタのしきい値電圧をプラス方向に変動させることができる場合がある。 The insulator 123, the insulator 124, the insulator 125, and / or the insulator 131 preferably includes an insulator having a high relative dielectric constant. For example, the insulator 123, the insulator 124, the insulator 125, and / or the insulator 131 include gallium oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, an oxide including aluminum and hafnium, an oxynitride including aluminum and hafnium, silicon, and silicon It is preferable to include an oxide containing hafnium, an oxynitride containing silicon and hafnium, or a nitride containing silicon and hafnium. Alternatively, the insulator 123, the insulator 124, the insulator 125, and / or the insulator 131 preferably has a stacked structure of silicon oxide or silicon oxynitride and an insulator with a high relative dielectric constant. Since silicon oxide and silicon oxynitride are thermally stable, a stacked structure having high thermal stability and high relative dielectric constant can be obtained by combining with an insulator having high relative dielectric constant. For example, when the insulator 125 and the insulator 131 have a structure in which aluminum oxide, gallium oxide, or hafnium is in contact with the oxide 126, the oxide 127, or the oxide 130, silicon contained in silicon oxide or silicon oxynitride Can be prevented from being mixed into the oxide 126, the oxide 127, and the oxide 130. For example, in the insulator 125 and the insulator 131, silicon oxide or silicon oxynitride has a structure in contact with the oxide 126 and the oxide 127, or the oxide 130, whereby aluminum oxide, gallium oxide, or hafnium oxide; A trap center may be formed at the interface with silicon oxide or silicon oxynitride. In some cases, the trap center can change the threshold voltage of the transistor in the positive direction by capturing electrons.

また、絶縁体225および絶縁体226においても、絶縁体122、絶縁体123、絶縁体125および絶縁体131と同様の絶縁体を用いることができる。 For the insulator 225 and the insulator 226, an insulator similar to the insulator 122, the insulator 123, the insulator 125, and the insulator 131 can be used.

絶縁体122、および絶縁体134は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体122、および絶縁体134は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、絶縁体122、および絶縁体134は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。 The insulator 122 and the insulator 134 preferably include an insulator with a low relative dielectric constant. For example, the insulator 122 and the insulator 134 include silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, It is preferable to have silicon oxide or resin having holes. Alternatively, the insulator 122 and the insulator 134 can be formed using silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, or empty It is preferable to have a laminated structure of silicon oxide having holes and a resin. Since silicon oxide and silicon oxynitride are thermally stable, a laminated structure having a low thermal stability and a low relative dielectric constant can be obtained by combining with silicon. Examples of the resin include polyester, polyolefin, polyamide (such as nylon and aramid), polyimide, polycarbonate, and acrylic.

また、絶縁体221、絶縁体230、絶縁体427、絶縁体441、絶縁体444、絶縁体445、絶縁体450、絶縁体459、および絶縁体462においても、絶縁体122、および絶縁体134と同様の絶縁体を用いることができる。 The insulator 221, the insulator 230, the insulator 427, the insulator 441, the insulator 444, the insulator 445, the insulator 450, the insulator 459, and the insulator 462 also include the insulator 122 and the insulator 134. Similar insulators can be used.

バリア129a、バリア129b、およびバリア133としては、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。バリア129a、バリア129b、およびバリア133によって、絶縁体134中の過剰酸素が、導電体128a、導電体128b、導電体132bおよび導電体132cへの拡散することを防止することができる。 As the barrier 129a, the barrier 129b, and the barrier 133, an insulator having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen may be used. The barrier 129a, the barrier 129b, and the barrier 133 can prevent excess oxygen in the insulator 134 from diffusing into the conductor 128a, the conductor 128b, the conductor 132b, and the conductor 132c.

バリア129a、バリア129b、およびバリア133としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いればよい。なお、バリア129a、バリア129b、およびバリア133は、窒化シリコンを有していてもよい。 Examples of the barrier 129a, the barrier 129b, and the barrier 133 include metal oxides such as aluminum oxide, magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide, and nitride Silicon oxide, silicon nitride, or the like may be used. Note that the barrier 129a, the barrier 129b, and the barrier 133 may include silicon nitride.

<導電体>
導電体120a、導電体120b、導電体120c、導電体132a、導電体132b、導電体132c、導電体128a、および導電体128bとしては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を1種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
<Conductor>
The conductor 120a, conductor 120b, conductor 120c, conductor 132a, conductor 132b, conductor 132c, conductor 128a, and conductor 128b include aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel A material containing one or more metal elements selected from titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium, and the like can be used. Alternatively, a semiconductor with high electrical conductivity typified by polycrystalline silicon containing an impurity element such as phosphorus, or silicide such as nickel silicide may be used.

また、上記導電体、特に導電体120a、導電体120bとして、酸化物126、酸化物127、および酸化物130に適用可能な金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いてもよい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、酸化物126、酸化物127、および酸化物130に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。 In addition, a conductive material containing a metal element and oxygen contained in a metal oxide applicable to the oxide 126, the oxide 127, and the oxide 130 is used as the conductor, particularly the conductor 120a and the conductor 120b. Also good. Alternatively, the above-described conductive material containing a metal element and nitrogen may be used. For example, a conductive material containing nitrogen such as titanium nitride or tantalum nitride may be used. In addition, indium tin oxide, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, indium zinc oxide, silicon were added Indium tin oxide may be used. Alternatively, indium gallium zinc oxide containing nitrogen may be used. By using such a material, hydrogen contained in the oxide 126, the oxide 127, and the oxide 130 can be captured in some cases. Alternatively, hydrogen mixed from an external insulator or the like may be captured.

また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。 A plurality of conductive layers formed using the above materials may be stacked. For example, a stacked structure in which the above-described material containing a metal element and a conductive material containing oxygen may be combined. Alternatively, a stacked structure in which the above-described material containing a metal element and a conductive material containing nitrogen are combined may be employed. Alternatively, a stacked structure of a combination of the above-described material containing a metal element, a conductive material containing oxygen, and a conductive material containing nitrogen may be employed.

なお、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物を用いる場合は、ゲート電極として前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。 Note that in the case where an oxide is used for a channel formation region of the transistor, a stacked structure in which the above-described material containing a metal element and a conductive material containing oxygen are combined as the gate electrode is preferably used. In this case, a conductive material containing oxygen is preferably provided on the channel formation region side. By providing a conductive material containing oxygen on the channel formation region side, oxygen released from the conductive material can be easily supplied to the channel formation region.

また、導電体223、導電体224、導電体227、導電体310、導電体311、導電体440a、導電体440b、導電体442a、導電体442b、導電体446a、導電体446b、導電体451a、導電体451b、導電体451c、導電体453a、導電体453b、導電体454、導電体456、導電体457、導電体458、導電体460、導電体461においても、導電体120a、導電体120b、導電体120c、導電体132a、導電体132b、導電体132c、導電体128a、および導電体128bと同様の導電体を用いることができる。 In addition, the conductor 223, the conductor 224, the conductor 227, the conductor 310, the conductor 311, the conductor 440a, the conductor 440b, the conductor 442a, the conductor 442b, the conductor 446a, the conductor 446b, the conductor 451a, In the conductor 451b, the conductor 451c, the conductor 453a, the conductor 453b, the conductor 454, the conductor 456, the conductor 457, the conductor 458, the conductor 460, and the conductor 461, the conductor 120a, the conductor 120b, A conductor similar to the conductor 120c, the conductor 132a, the conductor 132b, the conductor 132c, the conductor 128a, and the conductor 128b can be used.

<酸化物に適用可能な金属酸化物>
以下に、本発明に係る酸化物126、酸化物127、酸化物130、および酸化物222について説明する。酸化物126、酸化物127、酸化物130、および酸化物222として、酸化物半導体として機能する金属酸化物(以下、酸化物半導体ともいう)を用いることが好ましい。
<Metal oxide applicable to oxide>
The oxide 126, the oxide 127, the oxide 130, and the oxide 222 according to the present invention are described below. As the oxide 126, the oxide 127, the oxide 130, and the oxide 222, a metal oxide that functions as an oxide semiconductor (hereinafter also referred to as an oxide semiconductor) is preferably used.

酸化物半導体は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。 The oxide semiconductor preferably contains at least indium or zinc. In particular, it is preferable to contain indium and zinc. In addition to these, it is preferable that aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like is contained. Further, one kind or plural kinds selected from boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, or the like may be included.

ここでは、酸化物半導体が、インジウム、元素Mおよび亜鉛を有するInMZnOである場合を考える。なお、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Mに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。 Here, a case where the oxide semiconductor is InMZnO containing indium, the element M, and zinc is considered. The element M is aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like. Other elements applicable to the element M include boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, and magnesium. However, the element M may be a combination of a plurality of the aforementioned elements.

なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物(metal oxide)と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物(metal oxynitride)と呼称してもよい。 Note that in this specification and the like, metal oxides containing nitrogen may be collectively referred to as metal oxides. Further, a metal oxide containing nitrogen may be referred to as a metal oxynitride.

ここで、金属酸化物が、インジウム、元素M及び亜鉛を有する場合を考える。なお、金属酸化物が有するインジウム、元素M、及び亜鉛の原子数比のそれぞれの項を[In]、[M]、および[Zn]とする。 Here, a case where the metal oxide includes indium, the element M, and zinc is considered. Note that the terms of the atomic ratio of indium, element M, and zinc of the metal oxide are [In], [M], and [Zn].

以下に、図9(A)、図9(B)、および図9(C)を用いて、酸化物126、酸化物127、酸化物130、および酸化物222に用いることができる金属酸化物が有するインジウム、元素Mおよび亜鉛の原子数比の好ましい範囲について説明する。なお、図9(A)、図9(B)、および図9(C)には、酸素の原子数比については記載しない。また、金属酸化物が有するインジウム、元素M、および亜鉛の原子数比のそれぞれの項を[In]、[M]、および[Zn]とする。 A metal oxide that can be used for the oxide 126, the oxide 127, the oxide 130, and the oxide 222 is described below with reference to FIGS. 9A, 9B, and 9C. A preferable range of the atomic ratio of indium, element M, and zinc will be described. Note that the atomic ratio of oxygen is not described in FIGS. 9A, 9B, and 9C. The terms of the atomic ratio of indium, element M, and zinc of the metal oxide are [In], [M], and [Zn].

図9(A)、図9(B)、および図9(C)において、破線は、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):1の原子数比(−1≦α≦1)となるライン、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):2の原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):3の原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):4の原子数比となるライン、および[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):5の原子数比となるラインを表す。 9A, 9B, and 9C, the broken line indicates the atomic ratio of [In]: [M]: [Zn] = (1 + α) :( 1-α): 1. Line that satisfies (−1 ≦ α ≦ 1), [In]: [M]: [Zn] = (1 + α) :( 1-α): line that has an atomic ratio of 2 [In]: [M] : [Zn] = (1 + α): (1-α): a line having an atomic ratio of 3; [In]: [M]: [Zn] = (1 + α): (1-α): number of atoms of 4 A line to be a ratio and a line to have an atomic ratio of [In]: [M]: [Zn] = (1 + α) :( 1−α): 5.

また、一点鎖線は、[In]:[M]:[Zn]=5:1:βの原子数比(β≧0)となるライン、[In]:[M]:[Zn]=2:1:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=1:1:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=1:2:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=1:3:βの原子数比となるライン、および[In]:[M]:[Zn]=1:4:βの原子数比となるラインを表す。 The one-dot chain line is a line having an atomic ratio of [In]: [M]: [Zn] = 5: 1: β (β ≧ 0), and [In]: [M]: [Zn] = 2: A line with an atomic ratio of 1: β, [In]: [M]: [Zn] = 1: 1: a line with an atomic ratio of β, [In]: [M]: [Zn] = 1 2: Line with an atomic ratio of β, [In]: [M]: [Zn] = 1: 3: Line with an atomic ratio of β, and [In]: [M]: [Zn] = 1 : 4: represents a line having an atomic ratio of β.

また、図9(A)、図9(B)、および図9(C)に示す、[In]:[M]:[Zn]=0:2:1の原子数比、およびその近傍値の金属酸化物は、スピネル型の結晶構造をとりやすい。 Further, the atomic ratio of [In]: [M]: [Zn] = 0: 2: 1 shown in FIGS. 9 (A), 9 (B), and 9 (C), and the neighborhood values thereof. Metal oxides tend to have a spinel crystal structure.

また、金属酸化物中に複数の相が共存する場合がある(二相共存、三相共存など)。例えば、原子数比が[In]:[M]:[Zn]=0:2:1の近傍値である場合、スピネル型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。また、原子数比が[In]:[M]:[Zn]=1:0:0の近傍値である場合、ビックスバイト型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。金属酸化物中に複数の相が共存する場合、異なる結晶構造の間において、結晶粒界が形成される場合がある。 In addition, a plurality of phases may coexist in the metal oxide (two-phase coexistence, three-phase coexistence, etc.). For example, when the atomic ratio is a value close to [In]: [M]: [Zn] = 0: 2: 1, two phases of a spinel crystal structure and a layered crystal structure tend to coexist. Further, when the atomic ratio is a value close to [In]: [M]: [Zn] = 1: 0: 0, two phases of a bixbite type crystal structure and a layered crystal structure tend to coexist. When a plurality of phases coexist in a metal oxide, a crystal grain boundary may be formed between different crystal structures.

図9(A)に示す領域Aは、金属酸化物が有する、インジウム、元素M、および亜鉛の原子数比の好ましい範囲の一例について示している。 A region A illustrated in FIG. 9A illustrates an example of a preferable range of the atomic ratio of indium, element M, and zinc included in the metal oxide.

金属酸化物は、インジウムの含有率を高くすることで、金属酸化物のキャリア移動度(電子移動度)を高くすることができる。従って、インジウムの含有率が高い金属酸化物はインジウムの含有率が低い金属酸化物と比較してキャリア移動度が高くなる。 The metal oxide can increase the carrier mobility (electron mobility) of the metal oxide by increasing the indium content. Therefore, a metal oxide having a high indium content has higher carrier mobility than a metal oxide having a low indium content.

一方、金属酸化物中のインジウムおよび亜鉛の含有率が低くなると、キャリア移動度が低くなる。従って、原子数比が[In]:[M]:[Zn]=0:1:0、およびその近傍値である場合(例えば図9(C)に示す領域C)は、絶縁性が高くなる。 On the other hand, when the content of indium and zinc in the metal oxide is lowered, the carrier mobility is lowered. Therefore, when the atomic ratio is [In]: [M]: [Zn] = 0: 1: 0 and its vicinity (for example, the region C shown in FIG. 9C), the insulating property becomes high. .

例えば、酸化物127に用いる金属酸化物は、キャリア移動度が高い、図9(A)の領域Aで示される原子数比を有することが好ましい。酸化物127に用いる金属酸化物は、例えばIn:Ga:Zn=4:2:3から4.1、およびその近傍値程度になるようにすればよい。一方、酸化物126および酸化物222に用いる金属酸化物は、絶縁性が比較的高い、図9(C)の領域Cで示される原子数比を有することが好ましい。酸化物126および酸化物222に用いる金属酸化物は、例えばIn:Ga:Zn=1:3:4程度、あるいはIn:Ga:Zn=1:3:2程度になるようにすればよい。また、酸化物130に用いる金属酸化物は、酸化物127と同等の金属酸化物を用いてもよいし、酸化物222と同等の金属酸化物を用いてもよい。 For example, the metal oxide used for the oxide 127 preferably has a high carrier mobility and an atomic ratio represented by the region A in FIG. The metal oxide used for the oxide 127 may be, for example, In: Ga: Zn = 4: 2: 3 to 4.1 and its vicinity. On the other hand, the metal oxide used for the oxide 126 and the oxide 222 preferably has an atomic ratio represented by a region C in FIG. The metal oxide used for the oxide 126 and the oxide 222 may be, for example, about In: Ga: Zn = 1: 3: 4 or about In: Ga: Zn = 1: 3: 2. As the metal oxide used for the oxide 130, a metal oxide equivalent to the oxide 127 may be used, or a metal oxide equivalent to the oxide 222 may be used.

特に、図9(B)に示す領域Bでは、領域Aの中でも、キャリア移動度が高く、信頼性が高い優れた金属酸化物が得られる。 In particular, in the region B illustrated in FIG. 9B, an excellent metal oxide with high carrier mobility and high reliability can be obtained among the regions A.

なお、領域Bは、[In]:[M]:[Zn]=4:2:3から4.1、およびその近傍値を含む。近傍値には、例えば、[In]:[M]:[Zn]=5:3:4が含まれる。また、領域Bは、[In]:[M]:[Zn]=5:1:6、およびその近傍値、および[In]:[M]:[Zn]=5:1:7、およびその近傍値を含む。 Note that the region B includes [In]: [M]: [Zn] = 4: 2: 3 to 4.1 and the vicinity thereof. The neighborhood value includes, for example, [In]: [M]: [Zn] = 5: 3: 4. The region B includes [In]: [M]: [Zn] = 5: 1: 6 and its neighboring values, and [In]: [M]: [Zn] = 5: 1: 7, and Includes neighborhood values.

また、金属酸化物として、In−M−Zn酸化物を用いる場合、スパッタリングターゲットとしては、多結晶のIn−M−Zn酸化物を含むターゲットを用いると好ましい。なお、成膜される金属酸化物の原子数比は、上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス40%の変動を含む。例えば、金属酸化物に用いるスパッタリングターゲットの組成がIn:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]の場合、成膜される金属酸化物の組成は、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]の近傍となる場合がある。また、金属酸化物に用いるスパッタリングターゲットの組成がIn:Ga:Zn=5:1:7[原子数比]の場合、成膜される金属酸化物の組成は、In:Ga:Zn=5:1:6[原子数比]の近傍となる場合がある。 In the case where an In-M-Zn oxide is used as the metal oxide, a target including a polycrystalline In-M-Zn oxide is preferably used as the sputtering target. Note that the atomic ratio of the metal oxide film to be formed includes a variation of plus or minus 40% of the atomic ratio of the metal element contained in the sputtering target. For example, when the composition of the sputtering target used for the metal oxide is In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 [atomic ratio], the composition of the metal oxide formed is In: Ga: Zn = It may be in the vicinity of 4: 2: 3 [atomic ratio]. In addition, when the composition of the sputtering target used for the metal oxide is In: Ga: Zn = 5: 1: 7 [atomic ratio], the composition of the metal oxide formed is In: Ga: Zn = 5: It may be in the vicinity of 1: 6 [atomic ratio].

なお、金属酸化物が有する性質は、原子数比によって一義的に定まらない。同じ原子数比であっても、形成条件により、金属酸化物の性質が異なる場合がある。例えば、金属酸化物をスパッタリング装置にて成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される。また、成膜時の基板温度によっては、ターゲットの[Zn]よりも、膜の[Zn]が小さくなる場合がある。従って、図示する領域は、金属酸化物が特定の特性を有する傾向がある原子数比を示す領域であり、領域A乃至領域Cの境界は厳密ではない。 Note that the properties of metal oxides are not uniquely determined by the atomic ratio. Even if the atomic ratio is the same, the properties of the metal oxide may differ depending on the formation conditions. For example, when a metal oxide film is formed using a sputtering apparatus, a film having an atomic ratio that deviates from the atomic ratio of the target is formed. Further, depending on the substrate temperature during film formation, [Zn] of the film may be smaller than [Zn] of the target. Therefore, the illustrated region is a region that exhibits an atomic ratio in which the metal oxide tends to have specific characteristics, and the boundaries of the regions A to C are not strict.

<金属酸化物の構成>
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるCAC(Cloud−Aligned Composite)−OSの構成について説明する。
<Composition of metal oxide>
A structure of a CAC (Cloud-Aligned Composite) -OS that can be used for the transistor disclosed in one embodiment of the present invention is described below.

なお、本明細書等において、CAAC(c−axis aligned crystal)、及びCAC(Cloud−Aligned Composite)と記載する場合がある。なお、CAACは結晶構造の一例を表し、CACは機能、または材料の構成の一例を表す。 Note that in this specification and the like, they may be described as CAAC (c-axis aligned crystal) and CAC (Cloud-aligned Composite). Note that CAAC represents an example of a crystal structure, and CAC represents an example of a function or a material structure.

CAC−OSまたはCAC−metal oxideとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、CAC−OSまたはCAC−metal oxideを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子(またはホール)を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能(On/Offさせる機能)をCAC−OSまたはCAC−metal oxideに付与することができる。CAC−OSまたはCAC−metal oxideにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。 The CAC-OS or the CAC-metal oxide has a conductive function in part of the material and an insulating function in part of the material, and the whole material has a function as a semiconductor. Note that in the case where a CAC-OS or a CAC-metal oxide is used for an active layer of a transistor, the conductive function is a function of flowing electrons (or holes) serving as carriers, and the insulating function is an electron serving as carriers. It is a function that does not flow. By performing the conductive function and the insulating function in a complementary manner, a switching function (function to turn on / off) can be given to the CAC-OS or the CAC-metal oxide. In CAC-OS or CAC-metal oxide, by separating each function, both functions can be maximized.

また、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、導電性領域、及び絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。 Further, the CAC-OS or the CAC-metal oxide has a conductive region and an insulating region. The conductive region has the above-described conductive function, and the insulating region has the above-described insulating function. In the material, the conductive region and the insulating region may be separated at the nanoparticle level. In addition, the conductive region and the insulating region may be unevenly distributed in the material, respectively. In addition, the conductive region may be observed with the periphery blurred and connected in a cloud shape.

また、CAC−OSまたはCAC−metal oxideにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ0.5nm以上10nm以下、好ましくは0.5nm以上3nm以下のサイズで材料中に分散している場合がある。 In CAC-OS or CAC-metal oxide, the conductive region and the insulating region are each dispersed in a material with a size of 0.5 nm to 10 nm, preferably 0.5 nm to 3 nm. There is.

また、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記CAC−OSまたはCAC−metal oxideをトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、及び高い電界効果移動度を得ることができる。 Further, CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of components having different band gaps. For example, CAC-OS or CAC-metal oxide includes a component having a wide gap caused by an insulating region and a component having a narrow gap caused by a conductive region. In the case of the configuration, when the carrier flows, the carrier mainly flows in the component having the narrow gap. In addition, the component having a narrow gap acts in a complementary manner to the component having a wide gap, and the carrier flows through the component having the wide gap in conjunction with the component having the narrow gap. Therefore, when the CAC-OS or the CAC-metal oxide is used for a channel formation region of a transistor, high current driving capability, that is, high on-state current and high field-effect mobility can be obtained in the on-state of the transistor.

すなわち、CAC−OSまたはCAC−metal oxideは、マトリックス複合材(matrix composite)、または金属マトリックス複合材(metal matrix composite)と呼称することもできる。 That is, CAC-OS or CAC-metal oxide can also be referred to as a matrix composite or a metal matrix composite.

<金属酸化物の構造>
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、CAAC−OS(c−axis aligned crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化物半導体、nc−OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like oxide semiconductor)および非晶質酸化物半導体などがある。
<Structure of metal oxide>
An oxide semiconductor is classified into a single crystal oxide semiconductor and a non-single-crystal oxide semiconductor. Examples of the non-single-crystal oxide semiconductor include a CAAC-OS (c-axis aligned crystal oxide semiconductor), a polycrystalline oxide semiconductor, an nc-OS (nanocrystalline oxide semiconductor), and a pseudo-amorphous oxide semiconductor (a-like oxide semiconductor). OS: amorphous-like oxide semiconductor) and amorphous oxide semiconductor.

CAAC−OSは、c軸配向性を有し、かつa−b面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。 The CAAC-OS has a c-axis orientation and a crystal structure in which a plurality of nanocrystals are connected in the ab plane direction and have a strain. Note that the strain refers to a portion where the orientation of the lattice arrangement changes between a region where the lattice arrangement is aligned and a region where another lattice arrangement is aligned in a region where a plurality of nanocrystals are connected.

ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、CAAC−OSにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界(グレインバウンダリーともいう)を確認することはできない。即ち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、CAAC−OSが、a−b面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。 Nanocrystals are based on hexagons, but are not limited to regular hexagons and may be non-regular hexagons. In addition, there may be a lattice arrangement such as a pentagon and a heptagon in the distortion. Note that in the CAAC-OS, a clear crystal grain boundary (also referred to as a grain boundary) cannot be confirmed even in the vicinity of strain. That is, it can be seen that the formation of crystal grain boundaries is suppressed by the distortion of the lattice arrangement. This is because the CAAC-OS can tolerate distortion due to the fact that the arrangement of oxygen atoms is not dense in the ab plane direction and the bond distance between atoms changes due to substitution of metal elements. This is probably because of this.

また、CAAC−OSは、インジウム、および酸素を有する層(以下、In層)と、元素M、亜鉛、および酸素を有する層(以下、(M,Zn)層)とが積層した、層状の結晶構造(層状構造ともいう)を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Mは、互いに置換可能であり、(M,Zn)層の元素Mがインジウムと置換した場合、(In,M,Zn)層と表すこともできる。また、In層のインジウムが元素Mと置換した場合、(In,M)層と表すこともできる。 The CAAC-OS includes a layered crystal in which a layer containing indium and oxygen (hereinafter referred to as In layer) and a layer including elements M, zinc, and oxygen (hereinafter referred to as (M, Zn) layers) are stacked. There is a tendency to have a structure (also called a layered structure). Note that indium and the element M can be replaced with each other, and when the element M in the (M, Zn) layer is replaced with indium, it can also be expressed as an (In, M, Zn) layer. Further, when indium in the In layer is replaced with the element M, it can also be expressed as an (In, M) layer.

CAAC−OSは結晶性の高い酸化物半導体である。一方、CAAC−OSは、明確な結晶粒界を確認することはできないため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、CAAC−OSは不純物や欠陥(酸素欠損など)の少ない酸化物半導体ともいえる。従って、CAAC−OSを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、CAAC−OSを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。 The CAAC-OS is an oxide semiconductor with high crystallinity. On the other hand, since CAAC-OS cannot confirm a clear crystal grain boundary, it can be said that a decrease in electron mobility due to the crystal grain boundary hardly occurs. In addition, since the crystallinity of an oxide semiconductor may be deteriorated due to entry of impurities, generation of defects, or the like, the CAAC-OS can be said to be an oxide semiconductor with few impurities and defects (such as oxygen vacancies). Therefore, the physical properties of the oxide semiconductor including a CAAC-OS are stable. Therefore, an oxide semiconductor including a CAAC-OS is resistant to heat and has high reliability.

nc−OSは、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OSは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、nc−OSは、分析方法によっては、a−like OSや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。 The nc-OS has periodicity in atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm). In addition, the nc-OS has no regularity in crystal orientation between different nanocrystals. Therefore, orientation is not seen in the whole film. Therefore, the nc-OS may not be distinguished from an a-like OS or an amorphous oxide semiconductor depending on an analysis method.

a−like OSは、nc−OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。a−like OSは、鬆または低密度領域を有する。即ち、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて、結晶性が低い。 The a-like OS is an oxide semiconductor having a structure between the nc-OS and an amorphous oxide semiconductor. The a-like OS has a void or a low density region. That is, the a-like OS has lower crystallinity than the nc-OS and the CAAC-OS.

酸化物半導体は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、a−like OS、nc−OS、CAAC−OSのうち、二種以上を有していてもよい。 Oxide semiconductors have various structures and different properties. The oxide semiconductor of one embodiment of the present invention may include two or more of an amorphous oxide semiconductor, a polycrystalline oxide semiconductor, an a-like OS, an nc-OS, and a CAAC-OS.

<酸化物を有するトランジスタ>
続いて、上記酸化物をトランジスタに用いる場合について説明する。
<Transistor with oxide>
Next, the case where the above oxide is used for a transistor will be described.

なお、上記酸化物をトランジスタに用いることで、結晶粒界におけるキャリア散乱等を減少させることができるため、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。 Note that when the above oxide is used for a transistor, carrier scattering and the like at crystal grain boundaries can be reduced; therefore, a transistor with high field-effect mobility can be realized. In addition, a highly reliable transistor can be realized.

また、トランジスタのチャネル形成領域には、キャリア密度の低い酸化物を用いることが好ましい。例えば、酸化物は、キャリア密度が8×1011/cm未満、好ましくは1×1011/cm未満、さらに好ましくは1×1010/cm未満であり、1×10−9/cm以上とすればよい。 In addition, an oxide with low carrier density is preferably used for a channel formation region of the transistor. For example, the oxide has a carrier density of less than 8 × 10 11 / cm 3 , preferably less than 1 × 10 11 / cm 3 , more preferably less than 1 × 10 10 / cm 3 , and 1 × 10 −9 / cm 3. It may be 3 or more.

なお、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。 Note that a high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic oxide has few carrier generation sources, and thus can have a low carrier density. In addition, an oxide that is highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic has a low defect level density and thus may have a low trap level density.

また、酸化物のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物にチャネル形成領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。 In addition, the charge trapped in the trap level of the oxide takes a long time to disappear, and may behave as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor in which a channel formation region is formed in an oxide having a high trap state density may have unstable electrical characteristics.

従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、チャネル形成領域の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物中の不純物濃度を低減するためには、チャネル形成領域に近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。 Therefore, in order to stabilize the electrical characteristics of the transistor, it is effective to reduce the impurity concentration in the channel formation region. In order to reduce the impurity concentration in the oxide, it is preferable to reduce the impurity concentration in the film adjacent to the channel formation region. Impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metal, alkaline earth metal, iron, nickel, silicon, and the like.

<不純物>
ここで、酸化物中における各不純物の影響について説明する。
<Impurity>
Here, the influence of each impurity in the oxide will be described.

酸化物において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物において欠陥準位が形成される。このため、酸化物を用いたトランジスタでは、チャネル形成領域におけるシリコンや炭素の濃度と、チャネル形成領域との界面近傍のシリコンや炭素の濃度(二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により得られる濃度)を、2×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1017atoms/cm以下とする。 In the oxide, when silicon or carbon which is one of Group 14 elements is included, a defect level is formed in the oxide. Therefore, in a transistor using an oxide, the concentration of silicon or carbon in a channel formation region and the concentration of silicon or carbon in the vicinity of the interface with the channel formation region (secondary ion mass spectrometry (SIMS)) The concentration obtained by (1) is 2 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。従って、チャネル形成領域にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている酸化物を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、チャネル形成領域においてアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、SIMSにより得られる酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1016atoms/cm以下にする。 In addition, when the oxide contains an alkali metal or an alkaline earth metal, a defect level may be formed and carriers may be generated. Therefore, a transistor including an oxide containing an alkali metal or an alkaline earth metal in a channel formation region is likely to be normally on. Therefore, it is preferable to reduce the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in the channel formation region. Specifically, the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in the oxide obtained by SIMS is set to 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 16 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、n型化されやすい。この結果、チャネル形成領域に窒素が含まれている酸化物を半導体に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、該酸化物において、チャネル形成領域の窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、酸化物中の窒素濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm以下、より好ましくは1×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm以下とする。 In addition, when nitrogen is included in the oxide, electrons as carriers are generated, the carrier density is increased, and the oxide is likely to be n-type. As a result, a transistor in which an oxide containing nitrogen in the channel formation region is used as a semiconductor is likely to be normally on. Therefore, in the oxide, it is preferable that the nitrogen in the channel formation region is reduced as much as possible. For example, the nitrogen concentration in the oxide is less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 × in SIMS. 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, and even more preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、チャネル形成領域に水素が含まれている酸化物を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、チャネル形成領域において水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物において、SIMSにより得られる水素濃度を、1×1020atoms/cm未満、好ましくは1×1019atoms/cm未満、より好ましくは5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm未満とする。 In addition, hydrogen contained in the oxide reacts with oxygen bonded to a metal atom to become water, so that oxygen vacancies may be formed in some cases. When hydrogen enters the oxygen vacancies, electrons serving as carriers may be generated. In addition, a part of hydrogen may be combined with oxygen bonded to a metal atom to generate electrons as carriers. Therefore, a transistor including an oxide containing hydrogen in a channel formation region is likely to be normally on. For this reason, it is preferable that hydrogen is reduced as much as possible in the channel formation region. Specifically, in the oxide, the hydrogen concentration obtained by SIMS is less than 1 × 10 20 atoms / cm 3 , preferably less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , more preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3. Less than, more preferably less than 1 × 10 18 atoms / cm 3 .

不純物が十分に低減された酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。 By using an oxide in which impurities are sufficiently reduced for a channel formation region of a transistor, stable electric characteristics can be imparted.

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。   The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態2)
<半導体装置の作製方法>
以下では、本発明に係る図4に示すトランジスタ100a、図5(A)に示すトランジスタ200a、および図6(A)に示す容量素子300aを含む半導体装置の作製方法を図10乃至図16を用いて説明する。
(Embodiment 2)
<Method for Manufacturing Semiconductor Device>
Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device including the transistor 100a illustrated in FIG. 4, the transistor 200a illustrated in FIG. 5A, and the capacitor 300a illustrated in FIG. 6A according to the present invention will be described with reference to FIGS. I will explain.

半導体基板上に、シングルダマシン法あるいは、デュアルダマシン法を用いて、導電体120および導電体451を形成する。なお、図示しないが、当該半導体基板には、図7(A)に示すトランジスタ400a、あるいは図7(B)に示したトランジスタ400bが形成され、トランジスタ400aあるいは、トランジスタ400b上には、図8に示す配線層448が形成される。配線層448上には、絶縁体449、絶縁体450、絶縁体121、および絶縁体122が形成され、導電体120および導電体451は当該絶縁体に埋め込まれるように形成される(図10(A))。 The conductor 120 and the conductor 451 are formed on the semiconductor substrate by a single damascene method or a dual damascene method. Note that although not illustrated, the transistor 400a illustrated in FIG. 7A or the transistor 400b illustrated in FIG. 7B is formed over the semiconductor substrate, and the transistor 400a or the transistor 400b is formed over the transistor 400a illustrated in FIG. A wiring layer 448 shown is formed. An insulator 449, an insulator 450, an insulator 121, and an insulator 122 are formed over the wiring layer 448, and the conductor 120 and the conductor 451 are formed to be embedded in the insulator (FIG. A)).

絶縁体122、導電体120、および導電体451上に、絶縁体123、絶縁体124、絶縁体125、酸化物126A、酸化物127A、導電体128A、およびバリア129Aが形成される。本実施の形態では、酸化物126Aの膜厚を5nm、酸化物127Aの膜厚を15nmとする。 Over the insulator 122, the conductor 120, and the conductor 451, the insulator 123, the insulator 124, the insulator 125, the oxide 126A, the oxide 127A, the conductor 128A, and the barrier 129A are formed. In this embodiment, the thickness of the oxide 126A is 5 nm, and the thickness of the oxide 127A is 15 nm.

次に、酸化物126A、および酸化物127Aを島状に加工し、酸化物126、および酸化物127を形成する(図10(B))。酸化物126A、および酸化物127Aの加工には、レジストマスクや導電体や絶縁体からなるハードマスクを用いることができる。また、導電体128Aやバリア129Aの一部をハードマスクに用いることもできる。図示しないが、本実施の形態では、窒化タンタルからなるハードマスクおよび導電体128Aの一部を用いて酸化物126A、および酸化物127Aの加工を行った。これにより、絶縁体125、導電体128B、およびバリア129Bも形成される。 Next, the oxide 126A and the oxide 127A are processed into island shapes, so that the oxide 126 and the oxide 127 are formed (FIG. 10B). A resist mask, a hard mask made of a conductor, or an insulator can be used for processing the oxide 126A and the oxide 127A. Alternatively, part of the conductor 128A and the barrier 129A can be used as a hard mask. Although not shown, in this embodiment, the oxide 126A and the oxide 127A were processed using a hard mask made of tantalum nitride and part of the conductor 128A. Thereby, the insulator 125, the conductor 128B, and the barrier 129B are also formed.

次に、導電体128B、およびバリア129Bを加工し、導電体128a、導電体128b、バリア129a、およびバリア129bを形成する(図10(C))。その後、絶縁体125、酸化物126、酸化物127、導電体128a、導電体128b、バリア129a、およびバリア129bを覆うように酸化物130A、絶縁体131A、導電体132aA、導電体132bA、および導電体132cAを形成する。本実施の形態では、酸化物130Aの膜厚を5nmとする。 Next, the conductor 128B and the barrier 129B are processed to form the conductor 128a, the conductor 128b, the barrier 129a, and the barrier 129b (FIG. 10C). After that, the oxide 130A, the insulator 131A, the conductor 132aA, the conductor 132bA, and the conductor are formed so as to cover the insulator 125, the oxide 126, the oxide 127, the conductor 128a, the conductor 128b, the barrier 129a, and the barrier 129b. A body 132cA is formed. In this embodiment, the thickness of the oxide 130A is 5 nm.

次に、導電体132aA、導電体132bA、および導電体132cAを加工して導電体132a、導電体132b、および導電体132cを形成する(図11(A))。その後、バリア133Aを形成する。 Next, the conductor 132aA, the conductor 132bA, and the conductor 132cA are processed to form the conductor 132a, the conductor 132b, and the conductor 132c (FIG. 11A). Thereafter, the barrier 133A is formed.

次に、バリア133Aを加工してバリア133を形成する(図11(B))。この時、絶縁体131Aおよび酸化物130Aも加工することで絶縁体131および酸化物130を形成することができる。本実施の形態では、バリア133の端部が、バリア129aおよびバリア129bと重なるようにバリア133Aを加工したが、これに限らない。バリア133の端部が、バリア129aおよびバリア129bの外側、すなわち酸化物126および酸化物127の外側に位置するようにバリア133Aを加工してもよいし、バリア133Aを加工しなくてもよい。また、バリア133Aの加工の際は、必ずしも絶縁体131Aおよび酸化物130Aを加工しなくてもよい。以上の工程により、トランジスタ100aを形成することができる。 Next, the barrier 133A is processed to form the barrier 133 (FIG. 11B). At this time, the insulator 131A and the oxide 130A can be processed to form the insulator 131 and the oxide 130. In this embodiment, the barrier 133A is processed so that the end of the barrier 133 overlaps the barrier 129a and the barrier 129b, but the present invention is not limited to this. The barrier 133A may be processed such that the end of the barrier 133 is located outside the barrier 129a and the barrier 129b, that is, outside the oxide 126 and the oxide 127, or the barrier 133A may not be processed. Further, when the barrier 133A is processed, the insulator 131A and the oxide 130A are not necessarily processed. Through the above steps, the transistor 100a can be formed.

トランジスタ100aを覆うように絶縁体134、絶縁体135、および絶縁体221を形成する(図12(A))。 An insulator 134, an insulator 135, and an insulator 221 are formed so as to cover the transistor 100a (FIG. 12A).

絶縁体123、絶縁体124、絶縁体125、絶縁体134、絶縁体135、および絶縁体221等に開口部を設ける(図12(B))。図12(B)では、少なくとも、導電体451、導電体452、およびトランジスタ100aのソース電極およびドレイン電極として機能する導電体128aおよび導電体128bに到達する開口部を図示しているが、これに限らない。トランジスタ100aのゲートに到達する開口部や、導電体451や導電体452と同時に形成される導電体などに到達する開口部が設けられてもよい。 Openings are provided in the insulator 123, the insulator 124, the insulator 125, the insulator 134, the insulator 135, the insulator 221, and the like (FIG. 12B). In FIG. 12B, at least the conductor 451, the conductor 452, and the opening reaching the conductor 128a and the conductor 128b functioning as the source electrode and the drain electrode of the transistor 100a are illustrated. Not exclusively. An opening reaching the gate of the transistor 100a or an opening reaching the conductor formed at the same time as the conductor 451 or the conductor 452 may be provided.

次に、開口部を充填するように、導電体453aA、および導電体453bAを形成する(図13(A))。導電体453aA、および導電体453bAは、CVD法、ALD法、スパッタリング法等を用いて形成する。この時、導電体453aA、および導電体453bAは絶縁体221上にも形成される。 Next, a conductor 453aA and a conductor 453bA are formed so as to fill the opening (FIG. 13A). The conductors 453aA and 453bA are formed by a CVD method, an ALD method, a sputtering method, or the like. At this time, the conductor 453aA and the conductor 453bA are also formed over the insulator 221.

次に、導電体453aA、および導電体453bAを加工して、導電体453a、および導電体453bを形成する(図13(B))。導電体453aA、および導電体453bAの加工は、絶縁体221上等に設けられた導電体453aA、および導電体453bAの不要な部分を除去すればよく、化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)などを用いた研磨により行われる。その後、酸化物222Aを形成する。本実施の形態では、酸化物222Aの膜厚を5nmとする。ただし、酸化物222Aの膜厚はこれに限らない。前述したとおり、トランジスタ200の特性や酸化物222Aの組成に応じて膜厚を変更することができる。例えば、酸化物130Aの膜厚よりも厚くすることもできるし、薄くすることもできる。 Next, the conductor 453aA and the conductor 453bA are processed to form the conductor 453a and the conductor 453b (FIG. 13B). Processing of the conductor 453aA and the conductor 453bA may be performed by removing unnecessary portions of the conductor 453aA and the conductor 453bA provided over the insulator 221 and the like, and chemical mechanical polishing (CMP). It is carried out by polishing using such as. Thereafter, an oxide 222A is formed. In this embodiment, the thickness of the oxide 222A is 5 nm. However, the thickness of the oxide 222A is not limited to this. As described above, the film thickness can be changed in accordance with the characteristics of the transistor 200 and the composition of the oxide 222A. For example, the oxide 130A can be made thicker or thinner.

次に、酸化物222Aを加工して、酸化物222を形成する(図14(A))。酸化物222Aの加工には、ウェットエッチングやドライエッチングを用いることができる。エッチング方法は、酸化物222Aのエッチング条件における酸化物222Aのエッチングレートだけでなく、絶縁体221や、導電体453のエッチングレートも考慮して決定すればよい。酸化物222Aをウェットエッチングで加工する場合は、リン酸、フッ酸、あるいはシュウ酸をエッチャントとして用いることができる。酸化物222Aの膜厚や、各エッチャントに対する酸化物222Aのエッチングレートに応じてエッチャントの濃度や処理時間を決定すればよい。一方、ドライエッチングは、微細加工に適しており、例えば1μm以下といった微細なパターンを形成するには、ドライエッチングを用いることが好ましい。その後、導電体454Aを形成する。 Next, the oxide 222A is processed to form the oxide 222 (FIG. 14A). For the processing of the oxide 222A, wet etching or dry etching can be used. The etching method may be determined in consideration of the etching rate of the insulator 221 and the conductor 453 as well as the etching rate of the oxide 222A under the etching conditions of the oxide 222A. In the case where the oxide 222A is processed by wet etching, phosphoric acid, hydrofluoric acid, or oxalic acid can be used as an etchant. The etchant concentration and processing time may be determined in accordance with the thickness of the oxide 222A and the etching rate of the oxide 222A for each etchant. On the other hand, dry etching is suitable for fine processing, and dry etching is preferably used to form a fine pattern of, for example, 1 μm or less. Thereafter, a conductor 454A is formed.

次に、導電体454Aを加工し、導電体223、導電体224、導電体310、および導電体454を形成する(図14(B))。導電体223および導電体224は酸化物222に接するように形成され、一方はトランジスタ200aのソース電極、他方はドレイン電極として機能する。また、導電体310は、容量素子300aの第1の電極として機能する。その後、絶縁体221、酸化物222、導電体223、導電体224、導電体310、および導電体454を覆うように絶縁体225、絶縁体226、導電体227Aを形成する。 Next, the conductor 454A is processed to form the conductor 223, the conductor 224, the conductor 310, and the conductor 454 (FIG. 14B). The conductors 223 and 224 are formed so as to be in contact with the oxide 222, and one of them functions as a source electrode of the transistor 200a and the other functions as a drain electrode. In addition, the conductor 310 functions as a first electrode of the capacitor 300a. After that, the insulator 225, the insulator 226, and the conductor 227A are formed so as to cover the insulator 221, the oxide 222, the conductor 223, the conductor 224, the conductor 310, and the conductor 454.

次に、導電体227Aを加工し、導電体227および導電体311を形成する(図15(A))。導電体227は、トランジスタ200aのゲートとして機能し、導電体311は、容量素子300aの第2の電極として機能する。以上のようにして、絶縁体221上にトランジスタ200aおよび容量素子300aを形成することができる。トランジスタ200aおよび容量素子300aを覆うように、絶縁体228、絶縁体229、および絶縁体230を形成する。 Next, the conductor 227A is processed to form the conductor 227 and the conductor 311 (FIG. 15A). The conductor 227 functions as a gate of the transistor 200a, and the conductor 311 functions as a second electrode of the capacitor 300a. As described above, the transistor 200a and the capacitor 300a can be formed over the insulator 221. An insulator 228, an insulator 229, and an insulator 230 are formed so as to cover the transistor 200a and the capacitor 300a.

絶縁体225、絶縁体226、絶縁体228、絶縁体229、および絶縁体230などを加工し、少なくとも導電体223、導電体224、導電体454、導電体227、および導電体311に到達する開口部を形成する(図15(B))。 The insulator 225, the insulator 226, the insulator 228, the insulator 229, the insulator 230, and the like are processed, and at least the conductor 223, the conductor 224, the conductor 454, the conductor 227, and the opening reaching the conductor 311 Part is formed (FIG. 15B).

次に、少なくとも開口部内に導電体456を形成し、絶縁体230および導電体456を覆うように導電体457Aを形成する(図16(A))。その後、導電体457Aを加工し、トランジスタ200aのゲートと、ソースおよびドレインの一方とを電気的に接続する導電体457、および導電体456に電気的に接続する導電体458を形成する(図16(B))。 Next, a conductor 456 is formed at least in the opening, and a conductor 457A is formed so as to cover the insulator 230 and the conductor 456 (FIG. 16A). After that, the conductor 457A is processed to form a conductor 457 that electrically connects the gate of the transistor 200a to one of the source and the drain and a conductor 458 that is electrically connected to the conductor 456 (FIG. 16). (B)).

本実施の形態では、図3(A)におけるトランジスタ200としてトランジスタ200aを形成する例を示したが、これに限定されない。トランジスタ200aの代わりに、図5(B)に示したトランジスタ200bを形成してもよい。トランジスタ200bを形成する場合は、酸化物222Aを形成する前に導電体454Aを形成し、導電体454Aを加工して、導電体223、導電体224、導電体310、および導電体454を形成してから酸化物222Aを成膜、加工して酸化物222を形成すればよい。 In this embodiment, an example in which the transistor 200a is formed as the transistor 200 in FIG. 3A is described; however, the present invention is not limited to this. A transistor 200b illustrated in FIG. 5B may be formed instead of the transistor 200a. In the case of forming the transistor 200b, the conductor 454A is formed before the oxide 222A is formed, and the conductor 454A is processed to form the conductor 223, the conductor 224, the conductor 310, and the conductor 454. Then, the oxide 222A may be formed by forming and processing the oxide 222A.

また、容量素子300aの代わりに、図6(B)に示した容量素子300bを形成してもよい。 Further, instead of the capacitor 300a, the capacitor 300b illustrated in FIG. 6B may be formed.

以上のようにして、トランジスタ100aと、トランジスタ100aを覆う絶縁体221上のトランジスタ200aと、容量素子300aを形成することができる。 As described above, the transistor 100a, the transistor 200a over the insulator 221 that covers the transistor 100a, and the capacitor 300a can be formed.

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。   The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態3)
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図17、および図18を用いて説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, one embodiment of a semiconductor device is described with reference to FIGS.

<半導体ウエハ、チップ>
図17(A)は、ダイシング処理が行なわれる前の基板711の上面図を示している。基板711としては、例えば、半導体基板(「半導体ウエハ」ともいう。)を用いることができる。基板711上には、複数の回路領域712が設けられている。回路領域712には、本発明の一態様に係る半導体装置などを設けることができる。
<Semiconductor wafer, chip>
FIG. 17A shows a top view of the substrate 711 before the dicing process is performed. As the substrate 711, for example, a semiconductor substrate (also referred to as a “semiconductor wafer”) can be used. A plurality of circuit regions 712 are provided on the substrate 711. The circuit region 712 can be provided with a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.

複数の回路領域712は、それぞれが分離領域713に囲まれている。分離領域713と重なる位置に分離線(「ダイシングライン」ともいう。)714が設定される。分離線714に沿って基板711を切断することで、回路領域712を含むチップ715を基板711から切り出すことができる。図17(B)にチップ715の拡大図を示す。 Each of the plurality of circuit regions 712 is surrounded by the isolation region 713. A separation line (also referred to as “dicing line”) 714 is set at a position overlapping with the separation region 713. By cutting the substrate 711 along the separation line 714, the chip 715 including the circuit region 712 can be cut out from the substrate 711. FIG. 17B shows an enlarged view of the chip 715.

また、分離領域713に導電層、半導体層などを設けてもよい。分離領域713に導電層、半導体層などを設けることで、ダイシング工程時に生じうるESDを緩和し、ダイシング工程に起因する歩留まりの低下を防ぐことができる。また、一般にダイシング工程は、基板の冷却、削りくずの除去、帯電防止などを目的として、炭酸ガスなどを溶解させて比抵抗を下げた純水を切削部に供給しながら行なう。分離領域713に導電層、半導体層などを設けることで、当該純水の使用量を削減することができる。よって、半導体装置の生産コストを低減することができる。また、半導体装置の生産性を高めることができる。 Further, a conductive layer, a semiconductor layer, or the like may be provided in the separation region 713. By providing a conductive layer, a semiconductor layer, or the like in the separation region 713, ESD that may occur in the dicing process can be reduced, and a reduction in yield due to the dicing process can be prevented. In general, the dicing step is performed while supplying pure water having a specific resistance lowered by dissolving carbon dioxide gas or the like for the purpose of cooling the substrate, removing shavings, and preventing charging. By providing a conductive layer, a semiconductor layer, or the like in the separation region 713, the amount of pure water used can be reduced. Thus, the production cost of the semiconductor device can be reduced. In addition, productivity of the semiconductor device can be increased.

<電子部品>
チップ715を用いた電子部品の一例について、図18(A)および図18(B)を用いて説明する。なお、電子部品は、半導体パッケージ、またはIC用パッケージともいう。電子部品は、端子取り出し方向、端子の形状などに応じて、複数の規格、名称などが存在する。
<Electronic parts>
An example of an electronic component using the chip 715 will be described with reference to FIGS. Note that the electronic component is also referred to as a semiconductor package or an IC package. Electronic parts have a plurality of standards, names, and the like depending on the terminal take-out direction, the terminal shape, and the like.

電子部品は、組み立て工程(後工程)において、上記実施の形態に示した半導体装置と該半導体装置以外の部品が組み合わされて完成する。 Electronic components are completed by combining the semiconductor device described in the above embodiment and components other than the semiconductor device in an assembly process (post-process).

図18(A)に示すフローチャートを用いて、後工程について説明する。前工程において基板711に本発明の一態様に係る半導体装置などを形成した後、基板711の裏面(半導体装置などが形成されていない面)を研削する「裏面研削工程」を行なう(ステップS721)。研削により基板711を薄くすることで、電子部品の小型化を図ることができる。 The post-process will be described with reference to the flowchart shown in FIG. After the semiconductor device or the like according to one embodiment of the present invention is formed over the substrate 711 in the previous step, a “back surface grinding step” of grinding the back surface (the surface where the semiconductor device or the like is not formed) of the substrate 711 is performed (step S721). . By reducing the thickness of the substrate 711 by grinding, the electronic component can be downsized.

次に、基板711を複数のチップ715に分離する「ダイシング工程」を行う(ステップS722)。そして、分離したチップ715を個々のリードフレーム上に接合する「ダイボンディング工程」を行う(ステップS723)。ダイボンディング工程におけるチップ715とリードフレームとの接合は、樹脂による接合、またはテープによる接合など、適宜製品に応じて適した方法を選択する。なお、リードフレームに代えてインターポーザ基板上にチップ715を接合してもよい。 Next, a “dicing process” for separating the substrate 711 into a plurality of chips 715 is performed (step S722). Then, a “die bonding step” is performed in which the separated chip 715 is bonded onto each lead frame (step S723). For the bonding of the chip 715 and the lead frame in the die bonding step, a suitable method is appropriately selected according to the product, such as bonding with a resin or bonding with a tape. Note that the chip 715 may be bonded on the interposer substrate instead of the lead frame.

次いで、リードフレームのリードとチップ715上の電極とを、金属の細線(ワイヤー)で電気的に接続する「ワイヤーボンディング工程」を行う(ステップS724)。金属の細線には、銀線、金線などを用いることができる。また、ワイヤーボンディングは、例えば、ボールボンディング、またはウェッジボンディングを用いることができる。 Next, a “wire bonding process” is performed in which the lead of the lead frame and the electrode on the chip 715 are electrically connected with a thin metal wire (step S724). A silver wire, a gold wire, etc. can be used for a metal fine wire. For wire bonding, for example, ball bonding or wedge bonding can be used.

ワイヤーボンディングされたチップ715は、エポキシ樹脂などで封止される「封止工程(モールド工程)」が施される(ステップS725)。封止工程を行うことで電子部品の内部が樹脂で充填され、チップ715とリードを接続するワイヤーを機械的な外力から保護することができ、また水分、埃などによる特性の劣化(信頼性の低下)を低減することができる。 The chip 715 that has been wire bonded is subjected to a “sealing process (molding process)” that is sealed with an epoxy resin or the like (step S725). By performing the sealing process, the inside of the electronic component is filled with resin, the wire connecting the chip 715 and the lead can be protected from mechanical external force, and deterioration of characteristics due to moisture, dust, etc. (reliability Reduction) can be reduced.

次いで、リードフレームのリードをめっき処理する「リードめっき工程」を行なう(ステップS726)。めっき処理によりリードの錆を防止し、後にプリント基板に実装する際のはんだ付けをより確実に行うことができる。次いで、リードを切断および成形加工する「成形工程」を行なう(ステップS727)。 Next, a “lead plating process” for plating the leads of the lead frame is performed (step S726). The plating process prevents rusting of the lead, and soldering when mounted on a printed circuit board later can be performed more reliably. Next, a “molding process” for cutting and molding the lead is performed (step S727).

次いで、パッケージの表面に印字処理(マーキング)を施す「マーキング工程」を行なう(ステップS728)。そして外観形状の良否、動作不良の有無などを調べる「検査工程」(ステップS729)を経て、電子部品が完成する。 Next, a “marking process” is performed in which a printing process (marking) is performed on the surface of the package (step S728). An electronic component is completed through an “inspection process” (step S729) for checking whether the external shape is good or not, and whether there is a malfunction.

また、完成した電子部品の斜視模式図を図18(B)に示す。図18(B)では、電子部品の一例として、QFP(Quad Flat Package)の斜視模式図を示している。図18(B)に示す電子部品750は、リード755およびチップ715を有する。電子部品750は、チップ715を複数有していてもよい。 FIG. 18B is a schematic perspective view of the completed electronic component. FIG. 18B shows a schematic perspective view of a QFP (Quad Flat Package) as an example of an electronic component. An electronic component 750 illustrated in FIG. 18B includes a lead 755 and a chip 715. The electronic component 750 may have a plurality of chips 715.

図18(B)に示す電子部品750は、例えばプリント基板752に実装される。このような電子部品750が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板752上で電気的に接続されることで電子部品が実装された基板(実装基板754)が完成する。完成した実装基板754は、電子機器などに用いられる。 An electronic component 750 illustrated in FIG. 18B is mounted on a printed circuit board 752, for example. A plurality of such electronic components 750 are combined and each is electrically connected on the printed circuit board 752 to complete a substrate (mounting substrate 754) on which the electronic components are mounted. The completed mounting board 754 is used for an electronic device or the like.

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。   The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態4)
<電子機器>
本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に用いることができる。図19に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の具体例を示す。
(Embodiment 4)
<Electronic equipment>
The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for various electronic devices. FIG. 19 illustrates a specific example of an electronic device including the semiconductor device according to one embodiment of the present invention.

図19(A)は、自動車の一例を示す外観図である。自動車2980は、車体2981、車輪2982、ダッシュボード2983、およびライト2984等を有する。また、自動車2980は、アンテナ、バッテリなどを備える。 FIG. 19A is an external view illustrating an example of an automobile. The automobile 2980 includes a vehicle body 2981, wheels 2982, a dashboard 2983, lights 2984, and the like. The automobile 2980 includes an antenna, a battery, and the like.

図19(B)に示す情報端末2910は、筐体2911、表示部2912、マイク2917、スピーカ部2914、カメラ2913、外部接続部2916、および操作スイッチ2915等を有する。表示部2912には、可撓性基板が用いられた表示パネルおよびタッチスクリーンを備える。また、情報端末2910は、筐体2911の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。情報端末2910は、例えば、スマートフォン、携帯電話、タブレット型情報端末、タブレット型パーソナルコンピュータ、電子書籍端末等として用いることができる。 An information terminal 2910 illustrated in FIG. 19B includes a housing 2911, a display portion 2912, a microphone 2917, a speaker portion 2914, a camera 2913, an external connection portion 2916, an operation switch 2915, and the like. The display portion 2912 includes a display panel using a flexible substrate and a touch screen. In addition, the information terminal 2910 includes an antenna, a battery, and the like inside the housing 2911. The information terminal 2910 can be used as, for example, a smartphone, a mobile phone, a tablet information terminal, a tablet personal computer, an electronic book terminal, or the like.

図19(C)に示すノート型パーソナルコンピュータ2920は、筐体2921、表示部2922、キーボード2923、およびポインティングデバイス2924等を有する。また、ノート型パーソナルコンピュータ2920は、筐体2921の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。 A laptop personal computer 2920 illustrated in FIG. 19C includes a housing 2921, a display portion 2922, a keyboard 2923, a pointing device 2924, and the like. The laptop personal computer 2920 includes an antenna, a battery, and the like inside the housing 2921.

図19(D)に示すビデオカメラ2940は、筐体2941、筐体2942、表示部2943、操作スイッチ2944、レンズ2945、および接続部2946等を有する。操作スイッチ2944およびレンズ2945は筐体2941に設けられており、表示部2943は筐体2942に設けられている。また、ビデオカメラ2940は、筐体2941の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。そして、筐体2941と筐体2942は、接続部2946により接続されており、筐体2941と筐体2942の間の角度は、接続部2946により変えることが可能な構造となっている。筐体2941に対する筐体2942の角度によって、表示部2943に表示される画像の向きの変更や、画像の表示/非表示の切り換えを行うことができる。 A video camera 2940 illustrated in FIG. 19D includes a housing 2941, a housing 2942, a display portion 2944, operation switches 2944, a lens 2945, a connection portion 2946, and the like. The operation switch 2944 and the lens 2945 are provided on the housing 2941, and the display portion 2944 is provided on the housing 2942. In addition, the video camera 2940 includes an antenna, a battery, and the like inside the housing 2941. The housing 2941 and the housing 2942 are connected to each other by a connection portion 2946. The angle between the housing 2941 and the housing 2942 can be changed by the connection portion 2946. Depending on the angle of the housing 2942 with respect to the housing 2941, the orientation of the image displayed on the display portion 2943 can be changed, and display / non-display of the image can be switched.

図19(E)にバングル型の情報端末の一例を示す。情報端末2950は、筐体2951、および表示部2952等を有する。また、情報端末2950は、筐体2951の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。表示部2952は、曲面を有する筐体2951に支持されている。表示部2952には、可撓性基板を用いた表示パネルを備えているため、フレキシブルかつ軽くて使い勝手の良い情報端末2950を提供することができる。 FIG. 19E illustrates an example of a bangle information terminal. The information terminal 2950 includes a housing 2951, a display portion 2952, and the like. In addition, the information terminal 2950 includes an antenna, a battery, and the like inside the housing 2951. The display portion 2952 is supported by a housing 2951 having a curved surface. Since the display portion 2952 includes a display panel using a flexible substrate, an information terminal 2950 that is flexible, light, and easy to use can be provided.

図19(F)に腕時計型の情報端末の一例を示す。情報端末2960は、筐体2961、表示部2962、バンド2963、バックル2964、操作スイッチ2965、入出力端子2966などを備える。また、情報端末2960は、筐体2961の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。情報端末2960は、移動電話、電子メール、文章閲覧及び作成、音楽再生、インターネット通信、コンピュータゲームなどの種々のアプリケーションを実行することができる。 FIG. 19F illustrates an example of a wristwatch type information terminal. The information terminal 2960 includes a housing 2961, a display portion 2962, a band 2963, a buckle 2964, an operation switch 2965, an input / output terminal 2966, and the like. The information terminal 2960 includes an antenna, a battery, and the like inside the housing 2961. The information terminal 2960 can execute various applications such as mobile phone, e-mail, text browsing and creation, music playback, Internet communication, and computer games.

表示部2962の表示面は湾曲しており、湾曲した表示面に沿って表示を行うことができる。また、表示部2962はタッチセンサを備え、指やスタイラスなどで画面に触れることで操作することができる。例えば、表示部2962に表示されたアイコン2967に触れることで、アプリケーションを起動することができる。操作スイッチ2965は、時刻設定のほか、電源のオン、オフ動作、無線通信のオン、オフ動作、マナーモードの実行及び解除、省電力モードの実行及び解除など、様々な機能を持たせることができる。例えば、情報端末2960に組み込まれたオペレーティングシステムにより、操作スイッチ2965の機能を設定することもできる。 The display surface of the display portion 2962 is curved, and display can be performed along the curved display surface. The display portion 2962 includes a touch sensor and can be operated by touching the screen with a finger, a stylus, or the like. For example, an application can be started by touching an icon 2967 displayed on the display unit 2962. The operation switch 2965 can have various functions such as time setting, power on / off operation, wireless communication on / off operation, manner mode execution and release, and power saving mode execution and release. . For example, the function of the operation switch 2965 can be set by an operating system incorporated in the information terminal 2960.

また、情報端末2960は、通信規格された近距離無線通信を実行することが可能である。例えば無線通信可能なヘッドセットと相互通信することによって、ハンズフリーで通話することもできる。また、情報端末2960は入出力端子2966を備え、他の情報端末とコネクターを介して直接データのやりとりを行うことができる。また入出力端子2966を介して充電を行うこともできる。なお、充電動作は入出力端子2966を介さずに無線給電により行ってもよい。 In addition, the information terminal 2960 can execute short-range wireless communication that is a communication standard. For example, it is possible to talk hands-free by communicating with a headset capable of wireless communication. Further, the information terminal 2960 includes an input / output terminal 2966, and can directly exchange data with other information terminals via a connector. Charging can also be performed via the input / output terminal 2966. Note that the charging operation may be performed by wireless power feeding without using the input / output terminal 2966.

例えば、本発明の一態様の半導体装置を用いた記憶装置は、上述した電子機器の制御情報や、制御プログラムなどを長期間保持することができる。本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、信頼性の高い電子機器を実現することができる。 For example, a memory device including the semiconductor device of one embodiment of the present invention can hold control information, a control program, and the like of the above electronic devices for a long period. With the use of the semiconductor device according to one embodiment of the present invention, a highly reliable electronic device can be realized.

本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with the structures described in the other embodiments.

100 トランジスタ
100a トランジスタ
101 導電体
102 絶縁体
103 絶縁体
104 半導体
105 導電体
106 導電体
108 絶縁体
109 導電体
110 絶縁体
112 導電体
113 導電体
114 導電体
115 導電体
116 導電体
117 導電体
120 導電体
120a 導電体
120b 導電体
120c 導電体
121 絶縁体
122 絶縁体
123 絶縁体
124 絶縁体
125 絶縁体
126 酸化物
126A 酸化物
127 酸化物
127A 酸化物
128a 導電体
128A 導電体
128b 導電体
128B 導電体
129a バリア
129A バリア
129b バリア
129B バリア
130 酸化物
130A 酸化物
131 絶縁体
131A 絶縁体
132 導電体
132a 導電体
132aA 導電体
132b 導電体
132bA 導電体
132c 導電体
132cA 導電体
133 バリア
133A バリア
134 絶縁体
135 絶縁体
200 トランジスタ
200a トランジスタ
200b トランジスタ
201 半導体
202 導電体
203 導電体
204 絶縁体
205 導電体
206 絶縁体
207 導電体
208 導電体
209 導電体
210 導電体
211 導電体
212 絶縁体
221 絶縁体
222 酸化物
223 導電体
224 導電体
225 絶縁体
226 絶縁体
227 導電体
227A 導電体
228 絶縁体
229 絶縁体
230 絶縁体
300 容量素子
300a 容量素子
300b 容量素子
301 導電体
303 導電体
304 導電体
305 導電体
310 導電体
311 導電体
400 トランジスタ
400a トランジスタ
400b トランジスタ
401 半導体
401a 領域
401b 領域
401c 領域
402 絶縁体
403 導電体
404 絶縁体
405 導電体
406 導電体
407 導電体
408 導電体
409 導電体
410 導電体
411 絶縁体
412 導電体
413 導電体
414 導電体
415 半導体基板
416 絶縁体
421 基板
422 導電体
423 絶縁体
424 半導体領域
425a 低抵抗領域
425b 低抵抗領域
426 絶縁体
427 絶縁体
428 絶縁体
429 絶縁体
430 絶縁体
431 半導体領域
432 絶縁体
433 導電体
434 絶縁体
440 導電体
440a 導電体
440b 導電体
441 絶縁体
442 導電体
442a 導電体
442b 導電体
443 絶縁体
444 絶縁体
445 絶縁体
446 導電体
446a 導電体
446b 導電体
448 配線層
449 絶縁体
450 絶縁体
451 導電体
451a 導電体
451b 導電体
451c 導電体
452 導電体
453 導電体
453a 導電体
453aA 導電体
453b 導電体
453bA 導電体
454 導電体
454A 導電体
456 導電体
457 導電体
457A 導電体
458 導電体
459 絶縁体
460 導電体
461 導電体
462 絶縁体
711 基板
712 回路領域
713 分離領域
714 分離線
715 チップ
750 電子部品
752 プリント基板
754 実装基板
755 リード
1000 半導体装置
1000a 半導体装置
1000b 半導体装置
1001 端子
1002 端子
1003 端子
1004 端子
1005 端子
1006 端子
1007 端子
1010 メモリセル
1020 メモリセル
1100a 半導体装置
2910 情報端末
2911 筐体
2912 表示部
2913 カメラ
2914 スピーカ部
2915 操作スイッチ
2916 外部接続部
2917 マイク
2920 ノート型パーソナルコンピュータ
2921 筐体
2922 表示部
2923 キーボード
2924 ポインティングデバイス
2940 ビデオカメラ
2941 筐体
2942 筐体
2943 表示部
2944 操作スイッチ
2945 レンズ
2946 接続部
2950 情報端末
2951 筐体
2952 表示部
2960 情報端末
2961 筐体
2962 表示部
2963 バンド
2964 バックル
2965 操作スイッチ
2966 入出力端子
2967 アイコン
2980 自動車
2981 車体
2982 車輪
2983 ダッシュボード
2984 ライト
100 transistor 100a transistor 101 conductor 102 insulator 103 insulator 104 semiconductor 105 conductor 106 conductor 108 insulator 109 conductor 110 insulator 112 conductor 113 conductor 114 conductor 115 conductor 116 conductor 117 conductor 120 conductor 120 Body 120a conductor 120b conductor 120c conductor 121 insulator 122 insulator 123 insulator 124 insulator 125 insulator 126 oxide 126A oxide 127 oxide 127A oxide 128a conductor 128A conductor 128b conductor 128B conductor 129a Barrier 129A barrier 129b barrier 129B barrier 130 oxide 130A oxide 131 insulator 131A insulator 132 conductor 132a conductor 132aA conductor 132b conductor 132bA conductor 132c conductor 32cA conductor 133 barrier 133A barrier 134 insulator 135 insulator 200 transistor 200a transistor 200b transistor 201 semiconductor 202 conductor 203 conductor 204 insulator 205 conductor 206 insulator 207 conductor 208 conductor 209 conductor 210 conductor 211 conductor Body 212 insulator 221 insulator 222 oxide 223 conductor 224 conductor 225 insulator 226 insulator 227 conductor 227A conductor 228 insulator 229 insulator 230 insulator 300 capacitor 300a capacitor 300b capacitor 301 conductor 303 Conductor 304 Conductor 305 Conductor 310 Conductor 311 Conductor 400 Transistor 400a Transistor 400b Transistor 401 Semiconductor 401a Region 401b Region 401c Region 402 Body 403 conductor 404 insulator 405 conductor 406 conductor 407 conductor 408 conductor 409 conductor 410 conductor 411 insulator 412 conductor 413 conductor 414 conductor 415 semiconductor substrate 416 insulator 421 substrate 422 conductor 423 insulation Body 424 semiconductor region 425a low resistance region 425b low resistance region 426 insulator 427 insulator 428 insulator 430 insulator 431 semiconductor region 432 insulator 433 conductor 434 insulator 440 conductor 440a conductor 440b conductor 441 insulator Body 442 conductor 442a conductor 442b conductor 443 insulator 444 insulator 445 insulator 446 conductor 446a conductor 446b conductor 448 wiring layer 449 insulator 450 insulator 451 conductor 451a conductor 451b conductor 451c conductor 4 2 Conductor 453 Conductor 453a Conductor 453aA Conductor 453b Conductor 453bA Conductor 454 Conductor 454A Conductor 456 Conductor 457 Conductor 457A Conductor 458 Conductor 459 Insulator 460 Conductor 461 Conductor 462 Insulator 711 Substrate 712 Circuit region 713 Separation region 714 Separation line 715 Chip 750 Electronic component 752 Printed circuit board 754 Mounting substrate 755 Lead 1000 Semiconductor device 1000a Semiconductor device 1000b Semiconductor device 1001 Terminal 1002 Terminal 1003 Terminal 1004 Terminal 1005 Terminal 1006 Terminal 1007 Terminal 1010 Memory cell 1020 Memory Cell 1100a Semiconductor device 2910 Information terminal 2911 Housing 2912 Display unit 2913 Camera 2914 Speaker unit 2915 Operation switch 2916 External connection unit 2 917 Microphone 2920 Notebook type personal computer 2921 Case 2922 Display unit 2923 Keyboard 2924 Pointing device 2940 Video camera 2941 Case 2492 Case 2944 Display unit 2944 Operation switch 2945 Lens 2946 Connection unit 2950 Information terminal 2951 Case 2951 Display unit 2960 Information terminal 2961 Housing 2962 Display unit 2963 Band 2964 Buckle 2965 Operation switch 2966 Input / output terminal 2967 Icon 2980 Car 2981 Car body 2982 Wheel 2983 Dashboard 2984 Light

Claims (5)

第1のトランジスタと、
前記第1のトランジスタを覆う絶縁体と、
前記絶縁体上の第2のトランジスタを有し、
前記第1のトランジスタは、
第1のゲート電極と、
前記第1のゲート電極と重なる第2のゲート電極と、
前記第1のゲート電極と前記第2のゲート電極の間に設けられた半導体を有し、
前記第1のゲート電極は、前記第2のトランジスタのソースおよびドレインの一方、および前記第2のトランジスタが有する第3のゲート電極と電気的に接続されていることが特徴の半導体装置。
A first transistor;
An insulator covering the first transistor;
A second transistor on the insulator;
The first transistor includes:
A first gate electrode;
A second gate electrode overlapping the first gate electrode;
A semiconductor provided between the first gate electrode and the second gate electrode;
The semiconductor device is characterized in that the first gate electrode is electrically connected to one of a source and a drain of the second transistor and a third gate electrode included in the second transistor.
請求項1において、
前記半導体は第1の半導体であり、
前記第2のトランジスタは、
第2の半導体と、
前記第2の半導体と電気的に接続する第1の電極および第2の電極を有し、
前記第1のゲート電極と、前記第2のトランジスタのソースおよびドレインの一方は、前記第1の電極と第2の電極の一方を介して電気的に接続されていることが特徴の半導体装置。
In claim 1,
The semiconductor is a first semiconductor;
The second transistor is
A second semiconductor;
A first electrode and a second electrode electrically connected to the second semiconductor;
The semiconductor device is characterized in that the first gate electrode and one of a source and a drain of the second transistor are electrically connected to each other through one of the first electrode and the second electrode.
請求項2において、
前記絶縁体は第1の絶縁体であり、
前記第1の絶縁体上に容量を有し、
前記容量は、第3の電極と、
第4の電極と、
前記第3の電極と前記第4の電極の間に設けられた第2の絶縁体を有し、
前記第3の電極は、前記第1のトランジスタのソースおよびドレインの一方と電気的に接続し、
前記第3の電極は、前記第1の電極および前記第2の電極と同じ材料からなり、
前記第4の電極は、前記第3のゲート電極と同じ材料からなり、
前記第2の絶縁体は、前記第2のトランジスタが有するゲート絶縁膜と同じ材料からなることが特徴の半導体装置。
In claim 2,
The insulator is a first insulator;
Having a capacitance on the first insulator;
The capacitor has a third electrode;
A fourth electrode;
A second insulator provided between the third electrode and the fourth electrode;
The third electrode is electrically connected to one of a source and a drain of the first transistor;
The third electrode is made of the same material as the first electrode and the second electrode,
The fourth electrode is made of the same material as the third gate electrode,
The semiconductor device is characterized in that the second insulator is made of the same material as a gate insulating film included in the second transistor.
請求項1乃至請求項3において、
前記第1のトランジスタのキャリア移動度は、前記第2のトランジスタのキャリア移動度より高いことが特徴の半導体装置。
In claims 1 to 3,
The semiconductor device is characterized in that the carrier mobility of the first transistor is higher than the carrier mobility of the second transistor.
請求項1乃至請求項4において、
前記第2のトランジスタに印加されるゲート電圧が0Vの時の前記第2のトランジスタのドレイン電流は、前記第1のトランジスタに印加されるゲート電圧が0Vの時の前記第1のトランジスタのドレイン電流より小さいことが特徴の半導体装置。
In Claims 1 to 4,
The drain current of the second transistor when the gate voltage applied to the second transistor is 0V is the drain current of the first transistor when the gate voltage applied to the first transistor is 0V. A semiconductor device characterized by being smaller.
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